KR20010046314A - 생물막 유동상 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기부상형 호기성 3상 생물막 유동층 반응기에 관한 것으로서, 좀더 자세히는 드래프트관과 유속조절관 및 공기주입관, 폐수유입관, 처리수 배출관으로 구성되어 있는 3상 유동상 생물막 반응기에 있어서, 반응조의 하단에 유동상 담체의 유출을 막고 생물막으로부터 탈리되는 미생물과 대사물질 등을 침전시킬 수 있는 경사구조의 메쉬 스크린을 형성시킨 생물막 유동층 반응기를 제공한다.

Description

생물막 유동상 반응기{A Fluidized Biofilm Bed Reactor}

본 발명은 공기부상형 호기성 3상 생물막 유동층 반응기에 관한 것으로서, 좀더 자세히는 반응조의 하단에 유동상 담체의 유출을 막고 생물막으로부터 탈리되는 미생물을 침전시킬 수 있는 메쉬형상의 스크린을 형성시킨 생물막 유동층 반응기에 관한 것이다.

폐수처리를 목적으로 개발된 종래의 생물막 유동층 반응기는 크게 두 가지 종류로 구분된다. 첫번째 반응기의 기본적인 개념은 층을 팽창시키기 위한 충분한 상향유속에서 모래와 같은 담체층을 통해 폐수가 위쪽으로 흘러 가도록 함으로써 유동화상태가 되도록 한다. 일단 유동화되면 담체는 생물막이 형성되도록 높은 비표면적을 제공하며, 부유성장 반응기에서보다 더 높은 미생물 농도를 유지하며 폐수를 처리하게 된다. 반응기를 호기성으로 운전하기 위해서는 생물반응기 전단계에 폭기조를 두거나 유출수를 폭기시켜 그 일부를 순환시킴으로써 호기성을 유지하도록 한다.

두번째 유형의 반응기는 첫번째 반응기가 액상(폐수)과 고상(담체)의 2상으로 구성되어 있는 반면 액상-고상-기상의 3상으로 구성된 공기부상형 생물막 유동층 반응기이다. 즉, 생물막 담체를 유동화시켜 폐수를 처리하는 원리는 첫번째 유형과 같으나 폐수의 상향흐름에 의한 담체의 유동화가 아닌 반응기 내부로 공기를 직접 주입하여 담체를 부상시키는 방법으로 유동상을 유지하고 호기성을 유지시킨다. 이 때 폐수에 포함된 슬러지 등은 생물막 반응기의 전단과 후단에 각각 1,2차 침전조(또는 침전지)를 설치하여 처리하고 있다.

상기 두 가지 형태의 생물막 유동층 반응기에서는 생물막으로부터 탈리된 미생물과 부유물질은 처리수와 같이 유출되며, 고액분리를 위하여 따로 침전조를 설치하여 운전하고 있다.

그러나, 처리수와 함께 유출되지 않은 침전성 슬러지들이 유동층 반응기 내에 축적되어 담체의 유동화를 방해함으로써 폐수처리 효율에 영향을 미친다. 또한 침전지를 따로 설치해야 하므로 침전지의 운영비용, 건설비용 및 부지확보비용 등에 의한 경제적인 낭비 요인이 되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 위와 같은 문제점을 해결하고 상기 두번째 유형의 공기부상형 생물막 유동층 반응기를 개량하여 유동층 생물막에 의한 폐수처리기능 및 슬러지 침전, 제거기능을 단일 반응기 내에서 수행하려는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시한 것.

도 2는 종래기술에 의한 생물막 유동층 반응기를 도시한 것.

**도면 부호의 간단한 설명**

10: 폐수 저류조 11: 생물막 유동상 반응조

12: 반응조의 바닥 21: 폐수 유입관

22: 폐수 유입 안내판 23: 침전 슬러지 배출관

31: 공기 주입관 32: 공기 노즐

33: 공기공급장치 41: 드래프트관

42: 여재 43: 유속조절관

51: 배수관 52: 반응조의 상단

61: 메쉬 스크린 62: 차단판 중앙부

70, 70': 침전조

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 다음과 같이 구성되어 있다.

즉, 본 발명은 하단에 폐수 유입관과 공기주입관이 위치해 있고, 반응조 내 하방으로 절곡된 폐수 유입관의 말단의 외곽으로 폐수 유입 안내판이 설치되어 있으며, 경사구조의 반응조 바닥 중앙으로 침전 슬러지 배출관이 형성되며, 상단 일측에는 정화된 물이 외부로 배출되는 배수관이 형성된 반응조와,

반응조 중앙에는 반응조와 동축이며 유동상 여재가 위치하는 드래프트관과, 드래프트관의 상단 외주로 반응조와 동축인 유속조절관이 설치되며, 드래프트관 하단에는 공기주입관의 말단에 형성된 공기노즐이 위치하며,

반응조 하단의 차단판 중앙부는 물이 이동할 수 없는 구조이며, 외주는 메쉬 스크린으로 형성된, 상기 드래프트관과 일정한 간격을 유지하며 반응조를 상하로 분리시키는 경사구조의 차단판이 형성된 것을 특징으로 하는 생물막 유동상 반응기를 제공한다.

본 발명의 생물막 유동층 반응기는 양식장의 물, 축산폐수, 산업폐수 등의 처리에 유용하며, 특히 유기물질의 농도가 높은 폐수의 처리에 적합하다.

본 발명의 구성을 도면을 참조하여 살펴 보기 전 먼저 도 2의 종래기술에 의한 생물막 유동층 반응기의 구조와 작용을 살펴 본다. 종래의 생물막 유동층 반응기는 공기 노즐(32), 폐수유입관(21), 드래프트관(41), 유속조절관(42) 및 처리수 유출관(51)으로 구성된 생물막 반응조(11)의 전단에는 1차 침전조(70)와, 후단에는 2차 침전조(70')가 각각 형성되어 있는 구조이다.

이하에서 도 1을 참조하여 본 발명의 구성을 살펴 본다.

반응조의 하측에 폐수 유입관(21)과 공기 주입관(31)을 설치하고, 공기주입관의 상단 반응조의 중앙 부분에 유동상 여재(42)가 들어 있는 드래프트관(41)을 설치하며, 드래프트관 외곽에서 상부로 연장되는 깔대기 형상의 유속조절관(43)을 설치하며, 반응조의 상단(52)은 위어(weir) 형상으로 구성되어 정화된 처리수를 배수관을 통하여 배출시키는 구조(51)로 되어 있는 3상 호기성 유동상 생물막 반응조에 있어서, 상기 드래프트관의 하측으로 드래프트관과 일정한 간격을 유지하며, 반응조를 상하로 분리시키는 경사구조의 차단판을 형성하되, 드래프트관으로부터 수직으로 연장되는 상기 차단판의 중앙부(62)는 물 또는 미세입자가 상하로 이동할 수 없는 구조로 되어 있으며, 상기차단판의 외주는 메쉬 스크린(61)으로 형성되어 물과 미세입자가 자유로이 이동할 수 있는 구조로 되어 있다.

좀더 자세히 본 발명의 구성을 살펴 보면, 먼저 반응조의 하단 일측에는 폐수 유입관(21)이 위치해 있고, 폐수 유입관 상에는 외부의 폐수를 유입하여 반응조로 이송시키는 주입펌프(23)가 있다. 상기 폐수 유입관은 수평하게 반응조의 중앙으로 연장되어 끝부분이 하방으로 절곡되어 있으며, 하방으로 절곡된 폐수 유입관의 끝부분의 외곽으로 일정 간격을 가지며 슬러지의 침전을 유도하는 폐수 유입 안내판(22)이 설치되어 있다.

반응조의 바닥(12)은 침전슬러지의 배출을 용이하게 하기 위하여 중심부가 하향으로 기울어진 경사 구조로 되어 있고, 이 경사판의 중앙으로 침전 슬러지 배출관(23)이 하측으로 형성되어 있으며, 이의 개폐를 위한 침전슬러지 배출밸브가 설치되어 있다.

또한, 반응조의 하단 일측에 공기 주입관(31)이 형성되어 있고, 이 공기 주입관 상에는 공기를 반응조 내부로 이송시키는 공기공급장치(33)가 설치되어 있다. 공기공급장치는 에어 컴프레서 또는 블로어를 포함한다. 공기 주입관은 수평으로 반응조의 중앙으로 연장되어 상향 절곡되며, 상향 절곡된 공기 주입관의 끝부분 공기 노즐(32)은 유동상 여재(42)가 위치하는 드래프트관(41)의 내부로 연장된다.

반응조 내부의 드래프트관(41)에는 비중이 비교적 작은 유동상 여재(42)가 위치하며, 이 드래프트관의 상단 외주에는 드래프트관과 일정 간격을 유지하며 반응조 내의 유속을 조절하는 유속조절관(43)이 설치된다. 즉, 단면 형상으로 살펴 보면 드래프트관이 가장 안쪽에 위치하고, 그 외주로 유속조절관이 위치하며, 그 외주로 반응조가 형성되는 구조로 되어 있다. 좀더 바람직하게는 드래프트관과 유속조절관 및 반응조가 동축의 원통형을 이룬다.

반응조의 상단(52)은 위어(weir) 구조로 형성되고, 상단 일측에는 정화된 물이 외부로 배출되는 배수관(51)이 형성되어 있다.

반응조의 하단에는 드래프트관과 반응조 바닥면의 사이에 드래프트관과 일정한 간격을 유지하며 반응조를 상하로 분리시키는 경사구조의 차단판을 형성하되, 중앙부로 갈수록 낮아지고 외주로 갈수록 높아지는 경사구조를 가진다. 역원뿔형의 경사구조가 바람직하다. 이 차단판 중앙부(62)는 물 또는 미세입자가 상하로 이동할 수 없는 구조로 되어 있으며, 이 차단판의 외주는 메쉬 스크린(61)으로 형성되어 물과 미세입자가 자유로이 이동할 수 있는 구조로 되어 있다.

이와 같이 구성된 생물막 유동층 반응기의 작용을 살펴 보면 다음과 같다.

주입펌프(23)와 폐수 유입관(21)을 통하여 반응조의 외부로부터 유입된 폐수는 반응조의 하측으로 이송된다. 반응조로 이송된 폐수는 폐수 유입 안내판(22)에 의하여 하방으로 흐르게 되는데, 이 때 폐수 내의 비중이 큰 슬러지는 침전되어 경사진 반응조 바닥(12)의 중앙으로 모여 침전 슬러지 배출관(23)을 통하여 반응조의 외부로 배출된다. 일단 슬러지가 침전된 폐수는 반응조 바닥의 경사판을 따라 상향으로 올라가게 된다.

반응조 중앙의 드래프트관(41)에는 비중이 비교적 가벼운 유동상 여재(42)가 위치한다. 유동상 여재로는 모래와 활성탄 등을 많이 사용하였으나, 그 외에도 다양한 유기물질과 무기물질 및 이들을 혼합하여 제조한 물질들을 유동상 여재로 사용할 수 있다. 이 유동상 여재의 입경은 메쉬 스크린의 메쉬보다 크기가 커야 한다.

반응조 하단으로부터 공기공급장치(33) 및 공기 주입관(31)에 의해 주입되는 공기는 공기 노즐(32)을 통하여 상향으로 배출되면서 상향으로 올라오는 폐수와 함께 여재가 충전된 드래프트관(41)을 통과하게 된다. 이 때 폐수에 포함된 유기물은 유동상 여재의 표면 상에서 성장하는 미생물과 접촉함으로써 미생물의 대사작용에 의해 분해된다. 이 과정에서 공기 주입관과 공기 노즐을 통하여 폐수와 여재에 직접적으로 충분한 공기를 공급해 줌으로써 호기성 미생물의 대사작용을 원활히 해 줄 수 있다. 즉, 공기 주입관과 공기 노즐을 통해 유동상 여재에 공급되는 공기는 미생물의 유기물 분해작용을 원활히 해 주는 역할과 동시에 유동상 생물막의 흐름을 형성시키는 역할을 수행하게 되는 것이다.

드래프트관(41)의 상단 외주로는 드래프트관과 일정 간격을 유지하는 유속조절관(43)이 구성되어 있는데, 이는 여재와 폐수 및 공기의 유동상 혼합물이 일정 유속을 유지하도록 조절하는 역할을 수행한다. 호기성 3상 생물막 유동상 반응기는 공기의 주입에 의하여 상향로와 하향로 사이의 개스-홀드업(gas-holdup) 차이에 의한 밀도의 차이가 생겨 유체의 회전이 유도된다. 또한, 반응기 내의 공기 유입속도에 의한 혼합, 유체의 속도 등이 생물막 증식에 중요한 영향을 미치게 된다. 생물막은 기질(substrate)이 여재에 부착되어 있는 미생물에 의해 분해되고 새로운 세포로 합성되어 가는 반응이 연속적으로 일어나면서 두께가 두꺼워지는데, 생물막의 형성, 성장 및 탈리에 있어서 반응기 내 유체의 순환속도가 중요한 역할을 하는 것이다. 즉, 드래프트관 외주의 유속조절관, 바람직하게는 깔대기 형상의 유속조절관이 유체 순환속도를 조절해 주는 역할을 수행하게 된다.

폐수와 여재 및 공기는 드래프트관의 하방으로부터 상향으로 흐르고, 드래프트관에서 흘러 넘친 폐수와 여재 및 공기의 3상 혼합물은 유속조절관의 안내에 의하여 하향류를 형성하며, 이 하향류는 드래프트관 아랫쪽의 차단판(61, 62) 및 공기 노즐을 통하여 공급되는 공기의 개스-홀드업에 의하여 다시 드래프트관의 내부에서 상향류를 형성하게 된다.

반응조의 하단에는 드래프트관과 반응조 바닥면의 사이에 드래프트관과 일정한 간격을 유지하며 반응조를 상하로 분리시키는 경사구조의 차단판(61, 62)을 형성하되, 중앙부로 갈수록 낮아지고 외주로 갈수록 높아지는 경사구조를 가진다. 바람직하게는 역원뿔형의 경사구조를 가진다. 차단판 중앙부(61)는 물 또는 미세입자가 상하로 이동할 수 없는 구조로 되어 있으며, 이 차단판의 외주는 메쉬스크린 (62)으로 형성되어 물과 미세입자가 자유로이 이동할 수 있는 구조로 되어 있다. 차단판은 3상 혼합물의 상향류를 형성시키고, 유동상 여재가 메쉬 스크린을 폐색시키는 것을 방지하기 위하여 반응조의 바닥면과 마찬가지로 중앙방향으로 경사를 가지는 것이 바람직하다.

차단판 외주의 메쉬 스크린은 여재의 입경보다는 작고, 여재에서 탈리되는 미생물이나 대사물질보다는 크게 메쉬를 형성하여 여재의 유실은 막고, 탈리 미생물 등은 스크린을 통하여 반응조 하부의 슬러지 배출관으로 배출되게 한다. 또한, 메쉬 스크린은 경사구조를 가짐으로써 메쉬 스크린을 통과하지 못한 여재가 경사를 따라 하향 중앙부로 이동하여 다시 드래프트관에서 상향류를 형성하도록 함으로써 생물막 여재의 효율성을 높였다.

이와 같이 유동상 생물막 반응기에 의하여 처리된 처리수는 반응기 상단 일측의 처리수 배수관을 통하여 배출된다.

종래의 호기성 생물막 유동층 반응기는 생물막 반응조의 전·후단에 각각 1, 2차 침전조(또는 침전지)를 형성하여 폐수의 침전 슬러지를 먼저 침전시킨 후 생물막에 의한 분해반응을 거치고, 다시 2차 침전조에서 슬러지를 침전시키는 구조로 되어 있었다. 그러나, 1차 침전조에서 침전되지 않고 생물막 분해조로 유입되거나 2차 침전조로 유출되지 않고 잔류하는 슬러지들이 유동상 생물막 분해조의 유동성을 저하시킴으로써 생물막의 두께를 지나치게 두껍게 형성시켜 생물막에 의한 유기물의 분해 효율을 저하시키는 문제점이 있었다. 본 발명의 생물막 유동상 반응기는 상기와 같은 문제점을 해결하여 하나의 생물막 반응기 내에 1차 및 2차 침전조를 형성시킴으로써 유동상 생물막에 의한 유기물 분해의 효율성을 제고시켰을 뿐만 아니라, 침전지의 건설에 따르는 비용과 부지의 문제를 해결하였다.

Claims (2)

1. 하단에 폐수 유입관과 공기주입관이 위치해 있고, 반응조 내 하방으로 절곡된 폐수 유입관의 말단의 외곽으로 폐수 유입 안내판이 설치되어 있으며, 경사구조의 반응조 바닥 중앙으로 침전 슬러지 배출관이 형성되며, 상단 일측에는 정화된 물이 외부로 배출되는 배수관이 형성된 반응조와,

   반응조 중앙에는 반응조와 동축이며 유동상 여재가 위치하는 드래프트관과, 드래프트관의 상단 외주로 반응조와 동축인 유속조절관이 설치되며, 드래프트관 하단에는 공기주입관의 말단에 형성된 공기노즐이 위치하며,

   반응조 하단의 차단판 중앙부는 물이 이동할 수 없는 구조이며 외주는 메쉬 스크린으로 형성되고, 상기 드래프트관과 일정한 간격을 유지하며 반응조를 상하로 분리시키는 경사구조의 차단판이 형성된 것을 특징으로 하는 생물막 유동상 반응기.
2. 제1항에 있어서, 상기 메쉬 스크린의 메쉬는 여재의 입경보다는 작고, 여재에서 탈리되는 미생물이나 대사물질보다는 큰 것을 특징으로 하는 생물막 유동상 반응기.