KR20010078443A - Smmiar에 의한 하수의 생물학적 고도처리 - Google Patents

Abstract

본 발명의 유입 하수 처리공정은 하수내의 질소와 인을 단일 반응조에서 효과적으로 제거하기 위한 것으로,

1차 침전조, 혐기조, 침지형회전매체 간헐포기조(SMMIAR), 2차 침전조로 구성되어 있으며, 특히 간헐포기조(SMMIAR)에는 침지형 회전매체를 설치하여 많은 미생물을 확보 할 수 있도록 하는 동시에 회전에 의한 전단력으로 일정 두께의 미생물막이 형성되도록 하여 과도한 생물막의 탈리로 인한 유출수질의 악화를 방지할 수 있도록 설계되었다. 따라서 본 발명은 기존공법에서 사용하는 여러 대의 반응조 역할을 단일 반응조에서 수행하게 되어 시설비, 유지비 등을 절약할 수 있게 하였으며, 동시에 질소, 인 제거 미생물의 활동에 적합한 환경을 인위적으로 조성하여 영양소를 효과적으로 제거하고, 회전매체의 부착미생물에 의해서 수리학적 및 유기물질의 과부하에서도 유연하게 대처할 수 있도록 하였다.

Description

SMMIAR에 의한 하수의 생물학적 고도처리{Biological Nutrient Removal Process using a Submerged Moving Media Intermittent Aeration Reactor}

1차 침전조(A)는 1차처리 및 생물학적 처리를 위한 예비처리의 역할을 수행하기 위한 반응조이며, 유입수의 유기물질 농도에 따라 설치여부가 결정된다.

즉 유기물질의 농도가 높을 때에는 1차 침전조가 필요하며, 낮을 때에는 세망만을 통과한 유입수를 혐기조로 바로 유입한다. 이는 BNR 공정에서 필요한 탄소원을 충분히 확보하기 위해서이다.

혐기조(B)는 인축적미생물(PAO)에 의해서 유기물질제거와 인(P) 방출이 일어나는 반응조이며, 인 방출의 과정은 인축적미생물들이 세포내에 축적되어 있던 Poly P를 분해할 때 생기는 에너지를 이용하여 아세테이트(acetate)와 같은 유기산을 섭취한 후 PHB(poly-β-hydroxybutyrate)의 형태로 저장하고 반대로 Poly-P의 분해로 생긴 정인산(ortho-P)을 혼합액 속으로 방출하면서 이루어진다.

혐기조에는 미생물의 혼합을 위한 교반장치와 단회로를 방지하기 위한 baffle장치가 설치된다.

SMMIAR(C;침지형회전매체 간헐포기조)는 미생물의 확보와 미생물막의 일정한 두께를 유지하기 위하여 속도를 조절할 수 있는 회전축을 가진 원형 디스크(disc)를 사용하였으며, 호기상태에서 질산화반응 즉 Nitrosomonas에 의하여 NH4+를 NO2-로 전환하는 반응과 Nitrobacter에 의하여 NO2-를 NO3-로 전환하는 반응들이 일어나고, 무산소상태에서는 탈질반응 즉, Achromobacter, Pseudomonas 그리고 Spirillium 등과 같은 탈질미생물에 의해서 NO3NO2N2로의 반응이 일어나서 질소가 제거된다.

이러한 반응들을 수행하기 위해 타이머(timer)가 부착된 포기장치를 설치하여 간헐포기조건을 형성하였으며, 포기장치는 간헐적 포기환경의 장기간 사용에도 에어 토출구의 막힘(fouling)현상이 발생되지 않도록 멤브레인형 산기관을 이용한다.

또한 포기시설은 선회류식으로 설치하여 회전매체 운동방향과 일치토록하여 교반효율 및 에너지효율을 향상토록 하였으며, 공기토출부에는 배플을 설치하여 포기력에 의한 회전매체에 형성된 생물막(bio film)의 강제 탈리현상을 방지하도록 고안 하였다.

침지형회전매체 간헐포기조(3;SMMIAR)에서 효과적인 질소제거를 위하여서는 호기/무산소 시간비가 매우 중요하며 유입수의 부하조건에 따라서도 변화된 호기/무산소 시간비를 가져야 한다.

이는 질산성 질소가 BNR 공정을 성공적으로 수행하는데 중요한 요소이기 때문이다,

즉, 탈질과정에서 미제거된 질산성 질소가 혐기조로 반송되면 인방출에 방해인자로 작용하여 BNR 공정에 악영향을 미치므로 침지형회전매체 간헐포기조(C)에서 호기/무산소 시간비의 제어는 매우 중요한 요소가 되는 것이다.

침지형 회전매체가 무산소상태에서는 교반기의 역할을 하도록 하여 탈질기능을 원활하게 수행토록 하며, 호기상태에서는 유입하수와 미생물의 접촉 및 산소공급 효율을 제고할 수 있도록 설치하여 유기물 산화와 질산화를 촉진토록 하였다.

SMMIAR반응기 하부에는 반응기 기저부의 중앙으로부터 포기시설을 설치한 한쪽방향으로 1/10정도의 슬로프를 유지하여 반응기내의 활성슬러지 포집 및 인발이 용이하도록 고안 하였다.

2차 침전조(D)는 생물학적 처리에 의해 발생되는 슬러지와 처리수를 분리할수 있는 구조로 하고, 슬러지반송설비(E)를 설치하였다.

생활환경에서 발생되는 하·폐수중의 유기물질분해와 동시에 질소·인 등 영양소 제거를 위한 경제적이고 유지 및 운전관리가 용이한 처리공정을 제공하여 하천 및 수원지의 수질오염을 방지하고, 특히 영양소에 기인한 조류번식에 따른 부영양화 발생을 억제하여 깨끗한 수자원을 유지, 확보하기 위함이다.

본 발명은 하수내의 질소와 인을 생물학적으로 동시에 제거하기 위한 하수처리 공정에 관한 것이다.

하수 중에 포함된 오염물질은 크게 유기물질, 질소, 인으로 나눌 수 있으며 이러한 오염물질을 제거하기 위하여, 지금까지 개발된 BNR 공정은 연속유입식 활성슬러지법과 회분식 활성슬러지법으로 구분된다. 연속유입식 활성슬러지법에는 A/O, A2/O, Bardenpho, UCT, MUCT, VIP 등의 공법이 있다.

그 중에 인제거를 목적으로 하는 A/O공법은 반송슬러지가 유입수와 함께 혼합되어 혐기조로 유입되고, 혐기조에서는 인제거 미생물에 의하여 유입수의 유기물질을 세포내로 흡수하면서 인을 방출하여, 호기조에서 유기물질의 산화와 인의 섭취를 유도하는 공법인데, 인의 제거 효율에 비해 질소의 제거효율이 낮으며 고부하 운전을 위하여 고율의 산소전달을 필요로하는 것이 단점으로 지적되고 있다.

A2/O공법은 생물학적 질소와 인을 동시에 제거하기 위하여 혐기-무산소-호기를 조합한 공정이다.

즉, 인을 제거하기 위하여 혐기-호기 조건을 반복하여 혐기조에서 인을 방출시키고 호기조에서는 질산화를 선행시켜 무산소조로 반송한 뒤 탈질을 시킨다.

하지만 반송슬러지 내의 질산성 질소가 혐기조의 인의 방출을 방해하여 인의 제거율이 낮으며 내부순환율이 높은 것이 단점이다.

UCT공법은 A2/O공법의 단점인 반송슬러지 내의 질산성 질소가 혐기조로 유입되어 인의 방출기작이 방해받는 것을 보완하기 위하여, 반송슬러지를 무산소조로 반송시켜서 탈질반응에 의하여 질산성 질소를 제거시킨 후에 혐기조로 다시 반송하는 공법인데 이러한 내부순환 유지관리비가 증가하고 운전이 복잡해지는 단점을 가지고 있다.

MUCT공법은 UCT공법을 보완한 생물학적 질소, 인 제거공법이다. 즉 UCT공법에서 반송슬러지와 호기조 혼합액의 반송이 단일 무산소조로 유입되는 것을 MUCT공법에서는 무산소조를 2부분으로 분리하고 제1 무산소조로 반송슬러지를 유입시켜 탈질반응을 일으킨 후에 혐기조로 반송하여 미생물을 공급하며, 호기조 혼합액의 반송은 제2 무산소조로 유입시켜 탈질반응에 의한 질소제거를 수행한다.

따라서 다른 생물학적 질소, 인 동시 제거공법보다 인제거율이 높은 장점이 있다.

하지만 내부반송이 많아 동력비가 많이 소요되고 유지관리가 힘든 단점이 있다.

VIP공법은 UCT, MUCT공법과 유사한 공법인데 운전이 복잡한 것이 단점으로 나타나고 있다.

이와 같이 위에서 소개한 연속유입식 활성슬러지 공법들은 내부반송에 의해 질소와 인 제거효율이 결정되고 이에 따른 반송펌프의 설치로 설치비와 유지관리비가 증가하는 단점이 있다.

또 하나의 방법인 회분식 활성슬러지공법은 유입방식에 따라 간헐유입 연속회분식 공정(SBR)과 간헐포기 연속유입 회분식 공정(Intermittent Cycle Extended Aeration System)으로 나누어지는데 이들 공법은 한 반응조에서 반응 및 침전이 동시에 일어나므로 초기투자비가 저렴한 장점이 있으나 대규모 처리시설에는 부적합한 단점이 있다.

본 발명의 목적은 하수 중에 함유된 질소를 효율적으로 제거할 수 있는 생물학적 하수처리 공정을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 하수 중에 함유된 인을 효율적으로 제거할 수 있는 생물학적 하수처리 공정을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 침지형 회전매체를 이용하여 많은 미생물을 확보하는 동시에 회전에 의한 전단력으로 일정 두께의 미생물막이 형성되도록 하여 과도한 생물막의 탈리로 인한 유출수질의 악화를 방지할 수 있는 생물학적 하수처리 공정을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단일반응조 내에서 연속적으로 질소와 인을 제거함으로써 소요되는 부지면적을 최소한으로 줄일 수 있는 생물학적 하수처리 공정을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 생물학적 질소·인 제거공정인 SMMIAR공정을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명의 생물학적 고도처리장치인 SMMIAR 구조에 대한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 도 3에 대한 측면도

도 4는 본 발명의 SMMIAR공정에 충진되는 회전매체에 대한 개략적인 단면도이다.

도 5는 본 발명의 도 4에 대한 측면도

도 6은 본 발명 도3의 요부에 대한 구체적인 구조도

도 7은 본 발명 도 4의 B-B선 단면도

도 8은 본 발명의 도 4에 대한 A부 확대단면도

도 9는 본 발명의 도 5에 대한 A부 확대단면도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

A: 1차 침전조 B: 혐기조

C: SMMIAR(submerged moving media intermittent aeration reactor)

D: 2차 침전조 E: 슬러지 반송라인

1: 반응기 2: 침지형 회전매체

3: 샤프트 및 샤프트구 4: 포기장치

5: 타이머 6: Aerator

7: 슬러지반송설비 8: 회전매체 간격유지 고정바 및 링

9: 슬로프 10: 배플

11: 샤프트-회전매체 고정용 후레임

12: 구동모터 13: 감속기 및 인버터

14: 구동기어 15: 구동체인

16: 매체회전기어 17: 샤프트고정베어링

21: 회전매체 휠 디스크 22: 강선

23: 샤프트 및 샤프트 구 24: 샤프트-회전매체 고정용 후레임

25: 회전매체 간격유지 고정 바

25': 회전매체 간격유지 고정 링

26: 샤프트고정베어링 27: 회전매체고정볼트

28: 보강휠 29: 샤프트-회전매체 고정용 후레임 rim

일반적으로 유입 하수내의 유기물질, 질소, 인 등을 제거하기 위한 공정들은 여러 단계의 처리공정을 거치면서 보다 효과적으로 제거될 수 있도록 설계되어 있다.

그 중에서 생물학적 처리공정은 처리효율과 공정의 안정성 그리고 신뢰도가 높으며 처리비용을 절감할 수 있기 때문에 많이 선호되고 있다.

본 발명도 이러한 생물학적 처리공정을 채택하였으며 1차 침전조(A), 혐기조(B), SMMIAR(C;침지형회전매체 간헐포기조), 2차 침전조(D)로 구성되어 있다.

혐기조(B)에서는 인 제거미생물에 의해 인 방출을 유도하였으며, SMMIAR(C)에는 타이머에 의해서 포기가 간헐적으로 이루어지도록 하여 호기/무산소 조건이 반복될 수 있도록 하였다.

따라서 호기조건에서는 질산화 미생물에 의해 질산화 과정이 수행되고 무산소 조건에서는 탈질미생물에 의해 탈질소화가 수행되는 것이 한 반응조 안에서 일어나도록 적합한 환경을 조정할 수가 있었다.

그리고 SMMIAR(C)내에는 침지형회전매체(submerged moving media)를 설치하여 많은 미생물 확보가 가능하도록 하는 동시에 회전에 의한 전단력을 이용하여 회전매체의 미생물막이 일정한 두께를 유지하도록 하였으며, 이는 침지형매체의 회전력조절(3rpm-20rpm)을 통하여 가능하였다.

무산소시에 회전매체는 적절한 양의 활성슬러지가 혐기조(B)로 반송될 수 있도록 하는 교반장치의 역할도 수행하도록 하였다.

2차 침전조(D)에서는 SMMIAR(C)에서 유입되는 혼합액을 고액분리하여 상징수는 유출수로 내보내고 슬러지는 혐기조(B)로 반송되도록 하였다.

SMMIAR(C)에서의 호기/무산소의 시간비와 혐기조에서의 체류시간 그리고 SMMIAR(C)에서의 체류시간은 들어오는 유입수의 조건에 따라 적절히 변화되어 운전된다.

침지형회전매체 간헐포기조에서 효과적인 질소제거를 위하여서는 호기/무산소 시간비가 매우 중요하며, 본 SMMIAR공정에서의 유입수의 변화에 따라 침지형회전매체 간헐포기조(3;SMMIAR)에서 변화된 간헐포기 시간비, 즉 포기/비포기 시간비는 30/60 ∼ 60/120(min/min)였다.

또한 유입수의 변화에 따라 혐기조에서의 체류시간은 60 ∼ 150(min), 간헐포기조에서의 체류시간은 3 ∼ 6(hr)을 적용하였다.

유입하수의 부하조건과 성상에 따른 적절한 운전 parameter, 즉 DO농도는 2 ∼ 4(mg/ℓ), 침전지에서 혐기조로의 슬러지 반송율은 50 ∼ 100%, 회전매체의 회전속도는 0.05 ∼ 0.3(m/s), 회전매체 표면적당 반응조의 유효용적비는 11 ∼ 16(ℓ/㎡), 혐기조 및 간헐포기조의 MLSS농도는 각각 2000mg/ℓ(간헐포기조의 경우 회전매체부착미생물 포함시 4000 ∼ 5000mg/ℓ) 정도 유지하였다.

혐기조(B)에는 미생물의 혼합을 위한 교반장치와 단회로를 방지하기 위한 baffle장치가 설치되며, 2차 침전조(D)로부터의 슬러지반송라인(E)이 연결된다.

SMMIAR(C)의 구성은 많은 미생물을 확보하기 위한 침지형 회전매체 및 회전샤프트와 휠디스크에 형성된 미생물막의 일정한 두께를 유지하기 위하여 회전속도를 조절할 수 있는 장치, 즉 적절한 기어비(1:3 ∼ 1:6)를 갖는 구동기어(14) 및 매체회전기어(16), 구동체인(15), 감속기(13), 인버터(13') 등의 속도조절장치와 구동모터(12), 간헐포기를 위한 타이머(5)가 부착된 Aerator(6) 및 산기관 등 포기시설, 그리고 포기에 의한 강한 수류가 회전디스크에 형성된 생물막에 직접 접촉하여 탈리되지 않토록 하기 위한 배플(10), 슬러지 반송설비(7), 기타장치 등으로 이루어져 있다.

SMMIAR(C)의 포기시설 설치는 회전매체의 운동방향과 일치하도록 하여 교반효율, 산소전달효율 및 구동에너지효율을 향상시킬 수 있도록 선회류식으로 설치하며, 산기관은 장기간의 간헐적 운전에도 공기토출구의 폐쇄현상이 발생되지 않도록 멤브레인형 산기관을 설치하였다.

SMMIAR공정에 사용되는 회전매체는 그라스화이버 및 불포화포리에스테르수지의 복합재질 또는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 재질의 2-3㎜ 두께의 표면이 거칠게 가공된 원형 회전디스크(21), 디스크의 수평직진성을 유지하기 위한 강선(2), 샤프트(3), 샤프트-회전매체 고정용 후레임(4), 각 회전매체 간격유지 고정 바(25) 및 링(25') 등으로 구성된다.

회전매체의 운전은 상기 속도조절장치 등을 이용하여 3-20rpm의 운전이 가능토록 구성하여 전단력에 의한 생물막의 두께를 조절할 수 있도록 한다.

또한 침지형 회전매체가 무산소상태에서는 교반기의 역할을 하도록 하여 탈질기능을 원활하게 수행토록 하며, 호기상태에서는 유입하수와 미생물의 접촉 및산소공급 효율을 제고할 수 있도록 설치, 운전하여 유기물 산화와 질산화를 촉진토록 하였다.

SMMIAR 하단부에는 반응기 기저부의 중앙으로부터 포기시설을 설치한 방향으로 1/10정도의 슬로프를 유지하여 반응기내의 활성슬러지 포집 및 인발이 용이하도록 고안하였으며, 슬러지반송라인(E)을 설치하였다.

2차 침전조(D)는 생물학적 처리에 의해 발생되는 슬러지와 처리수를 분리할 수 있는 구조로 하였다.

본 발명은 유입되는 하수내의 유기물질, 질소, 인 그리고 기타의 다른 불순물을 효과적으로 제거하는 동시에, 유지관리가 간편하고 용이하며, 건설비용과 운전비용 또한 최소한으로 유지함으로써 하수의 고도처리를 효과적으로 할 수 있는 compact한 생물학적 하수처리장치를 제공하는 효과를 갖는다.

또한 국내 하수처리의 특성중 하나인 비교적 저농도의 하수와 동적 및 유기물 부하변동이 심한 환경에서도 유연성을 높일 수 있도록 본 SMMIAR공정은 생물학적 영양소제거(BNR) 공정의 Fixed Media(고정매체)와 Fludized Bed(유동상), RBC등 기존의 Attached Microbial Growth를 이용한 process의 단점을 보완한 공법으로 하수고도처리 효율을 극대화 할 수 있다.

그리고 SMMIAR공정은 부유성장미생물 뿐만아니라 부착성장미생물을 이용함으로써 다양한 미생물 집단과 미생물 체류시간이 길어 유기물질의 충격부하나 동적부하(Dynamic loading)에 대하여 탁월하므로 안정된 처리수를 얻을 수 있어 하수처리의 보다 높은 안정성 확보에 기여할 수 있다.

Claims (7)

1차침전조(A), 혐기조(B), SMMIAR(C;침지형회전매체를 가진 간헐포기조) 그리고 2차 침전조(D), 슬러지반송라인(E)으로 구성되어 있는 하수의 고도처리장치인 SMMIAR공법

제1항에 있어서, 상기 처리공정이 SMMIAR(C)에서의 submerged moving media를 사용하여 미생물의 확보와 침지형 매체의 회전조절(회전속도 0.05 ∼ 0.3m/sec)을 통한 미생물막의 두께를 유지하는 것을 특징으로 하는 하수의 질소·인·유기물 제거방법

제1항에 있어서, 상기 처리공정의 SMMIAR(C)의 설비장치 구성 및 제작방법, 구조 및 기능을 특징으로 하는 하수의 질소·인·유기물 제거방법

제1항에 있어서, 상기 처리공정이 유입수의 변화에 따라 침지형회전매체 간헐포기조(C)에서 적절히 변화된 간헐포기 시간비, 즉 포기/비포기 시간비가 30/60 ∼ 60/120(min/min)를 사용하는 것을 특징으로 하는 하수의 질소·인·유기물 제거방법

제1항에 있어서, 상기 처리공정이 유입수의 변화에 따라 혐기조(B)의 체류시간은 60 ∼ 150(min), 침지형회전매체 간헐포기조(C)에서의 체류시간은 3 ∼ 6(hr)를 사용하는 것을 특징으로 하는 하수의 질소·인·유기물 제거방법

제1항에 있어서, 상기 처리공정이 유입하수의 부하조건과 종류 및 성상에 따른 적절한 운전parameter, 즉 회전매체 표면적당 반응조의 유효용적비는 11 ∼ 16(ℓ/㎡), 회전매체의 회전속도는 0.05 ∼ 0.3(m/s), 포기조 DO농도는 2∼ 4(mg/ℓ), 혐기조 및 간헐포기조의 MLSS농도는 각각 2000mg/ℓ(간헐포기조의 경우 회전매체 부착미생물 포함시 4000 ∼ 5000mg/ℓ), 침전지에서 혐기조로의 슬러지 반송율은 50 ∼ 100%를 사용하는 것을 특징으로 하는 하수의 질소·인·유기물 제거방법

제1항에 있어서, 상기 처리공정의 SMMIAR(C)내에 충진되는 회전매체의 종류 및 제작방법, 운전방법에 의한 하수의 질소·인·유기물 제거방법