KR20030053269A - 다단식 충진형 생물막 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물막 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미생물을 고정화하여 고농도 질산성 질소이온을 함유하는 폐수를 처리하는 충진형 생물막반응기에 관한 것이다.

이에 본 발명은, 미생물 충진층 하단으로부터 고농도 질산성 질소이온을 함유한 폐수를 유입하여 상기 미생물 충진층을 통과시킨 다음 질소가스를 분리하고 처리수를 배출하는 탈질용 충진형 생물막 반응기에 있어서, 상기 미생물 충진층이 상하로 적어도 2단 이상 분리되어 형성되고, 상기 각각의 미생물 충진층의 하단에 폐수 유입구가 구비되고 상단에 처리수 배출구가 구비되며, 질소가스 배출구가 상기 반응기 상단에 구비되는 것을 특징으로 하는 다단식 충진형 생물막 반응기를 제공한다.

또한, 상기 미생물 충진층 각각은 가로 직경에 대한 높이의 비가 1~1.5의 범위에 속하도록 형성되는 것이 바람직하다.

Description

다단식 충진형 생물막 반응기{Multi-stage packed bed biofilm reactor}

본 발명은 생물막 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미생물을 고정화하여 고농도 질산성 질소이온을 함유하는 폐수를 처리하는 충진형 생물막반응기에 관한 것이다.

일반적으로 생물막 여과공법은 합성수지 여재의 개발과 더불어 고속여과장치를 개발하게 되었고, 넓은 부지를 필요로 하는 활성 슬러지법을 대체할 폐수처리 방법으로 생물학적 처리와 여과를 동시에 행하는 공법을 개발하게 된 것이다.

즉, 생물막 여과공법은 생물막공법과 여과공법이 한 시스템에서 동시에 일어나도록 설계한 공법으로, 수처리 공정에서 생물막공법은 미생물이 부착하여 성장할 수 있는 담체에 미생물을 부착시켜 폐수의 유기성 오염물질을 처리하는 공법이며, 여과공법은 부유물질을 제거시키는 고액분리공정으로 채택되는 공정이다.

이러한 생물막 여과공법에 사용되는 반응기는 두 가지 기능이 한 반응기에서 일어나도록 특성이 우수한 담체를 사용하여야 하고, 담체의 입경은 수 ㎜정도로 작아야 한다.

한편, 질산성 질소를 제거하는 탈질기술에 있어 일반적으로는 부유식 방법을 사용하고 있으나 처리효율이 낮아 광대한 부지 및 설비비가 상당히 높기 때문에 금속공업에서 발생하는 고농도의 질산성질소(약 1000㎎/L)를 처리하기에는 부적합하다.

따라서, 미생물을 고정화하여 질산성 질소를 처리할 수 있으며, 좁은 공간에서도 설치가 용이하고 반응기 안의 미생물 활성부분을 극대화하여 부유식에 비해 처리효율을 훨씬 더 향상시킨 충진형 반응기를 도입하고 있다.

이러한 충진형 반응기를 사용하는 생물막 공법은 부유성장 시스템과는 달리 담체에 부착된 미생물의 작용에 의해 폐수를 처리하는 부착성장 시스템(Attached Growth System)이며, 이러한 부착성장 시스템은 폐수의 체류시간에 무관하게 미생물이 증식할 수 있다.

또한, 고농도 질산성 질소의 처리를 위해서는 탈질 미생물을 반응조 안에 고농도로 유지하는 방법이 먼저 구현되어야 하며, 이와 더불어 유입되는 질소 폐수 농도와 비례해서 급격히 증가되는 미생물을 반응조 밖으로 적절히 배출시켜 반응조 안의 미생물 농도를 최적의 상태로 유지하는 일이 고농도 질소 페수 처리를 위한 반응조 설계의 최대 관건이다.

이러한 조건을 충족하기 위해서는 일반 하수처리장 및 기타 산업폐수 처리시설에서 주로 이용하는 부유식 활성슬러지법("액상부식 방법에 있어서 고농도 유기 오수의 질소제거방법": 한국특허공개 제1997-020992호, "고농도 유기오수의 질소제거방법": 한국특허공개 제1994-002175호)은 미생물의 고농축에 한계가 있으므로 고농도 질소 처리에는 적합하지 않은 반면, 담체를 이용한 고정식 활성슬러지법은 미생물 농축정도에 있어서 상기 부유식 활성슬러지법보다 뛰어난 면을 보여주고 있다(Biological Wastewater Treatment. Grady, G. P. L., Daigger, G. T. an Lim, H. C., Mercel Decker, 1999).

한편, 상기한 바와 같은 충진형 생물막 반응기에 있어서, 사용되는 담체의 비중이 1보다 큰 경우는 하향류식으로 담체의 비중이 1보다 작은 경우는 상향류식으로 설계한다.

하향류식 반응기의 경우 필터가 막히는 일이 잦고 따라서 이를 해결하기 위한 역세주기가 짧은 단점이 있으며, 상향류식 반응기의 경우 상층으로 올라가면서 과도한 미생물 플럭(plug)의 작용으로 물질의 확산이 제한되어 처리효율이 떨어지게 되는 단점이 있다.

도 3은 종래의 상향류식 충진형 생물막 반응기를 도시한 도면이다.

반응기(30)의 구성에 있어서 미생물 충진층(31)은 일단으로 가로 직경에 대한 높이의 비가 대략 3~4 정도이며, 상기 미생물 충진층(31) 하단에 구비된 폐수 유입구(32)로부터 질산성 질소이온이 함유된 폐수를 유입받아 미생물 충진층(31)을 통과시킨 다음 질소가스와 처리수를 분리하여 질소가스 배출구(37)와 처리수 배출구(35)를 통해 각각 배출시킨다.

도 4는 생물막 반응기의 미생물 충진층 높이에 따른 질산성 질소의 처리효율을 나타내는 그래프이다.

세로축은 미생물 충진층의 가로 직경에 대한 높이의 비를 나타내는 것이다.

높이가 높아짐에 따라 처리효율이 점점 증가하다가 대략 0.5(미생물 충진층의 높이가 가로직경의 절반이 되는 지점)를 지나면서 더 이상 증가하지 않는 것을 볼 수 있다.

따라서, 종래의 충진형 생물막 반응기에 있어서 미생물 충진층은 질산성 질소의 처리효율을 더 이상 높이지 못하는 불필요한 부분이 있으며, 이로 인하여 충진층의 상부 상당부분이 탈질을 하지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 충진 높이에 따른 질소제거 효율을 측정하여 유효한 높이만큼의 반응기를 다단으로 배치하여 구성함으로써 동일 반응기 내에서 탈질효율을 충분히 유지하면서 장기간 처리시에도 활성을 유지할 수 있는 다단식 충진형 생물막 반응기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다단식 충진형 생물막 반응기를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 다단식 충진형 생물막 반응기로 질산성 질소를 처리한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3은 종래의 상향류식 충진형 생물막 반응기를 도시한 도면이다.

도 4는 생물막 반응기의 미생물 충진층 높이에 따른 질산성 질소의 처리효율을 나타내는 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 생물막 반응기13,14: 폐수 유입구

17,18: 처리수 배출구21: 공기 주입구

23,25: 미생물 충진층27: 탄소원 공급장치

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 미생물 충진층 하단으로부터 고농도 질산성 질소이온을 함유한 폐수를 유입하여 상기 미생물 충진층을 통과시킨 다음 질소가스를 분리하고 처리수를 배출하는 탈질용 충진형 생물막 반응기에 있어서, 상기 미생물 충진층이 상하로 적어도 2단 이상 분리되어 형성되고, 상기 각각의 미생물 충진층의 하단에 폐수 유입구가 구비되고 상단에 처리수 배출구가 구비되며, 질소가스 배출구가 상기 반응기 상단에 구비되는 것을 특징으로 하는 다단식 충진형 생물막 반응기를 제공한다.

또한, 상기 미생물 충진층 각각은 가로 직경에 대한 높이의 비가 1~1.5의 범위에 속하도록 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 다단식 충진형 생물막 반응기를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 반응기(10)는 미생물 충진층(23,25)이 상하 2단으로 분리·형성되고, 각각의 미생물 충진층(23,25)의 하단에 폐수 유입구(13,14)가 구비되고 상단에 처리수 배출구(17,18)가 구비되며, 질소가스 배출구(19)가 상기 반응기(10) 상단에 구비된다.

여기서 상기 폐수 유입구(13,14)는 반응기(10)의 측면으로 뚫려있으면서, 이를 통하여 고농도 질산성 질소를 함유하는 폐수를 유입하게 된다. 이 때, 유입되는 폐수의 질산성 질소(NO₃-N)의 농도는 대략 1000㎎/L로 처리시간은 4시간 정도가 필요하게 된다.

한편, 유입되는 폐수는 상기 반응기(10) 외측에 별도로 구비된 탄소원 공급장치(27)로부터 탄소원을 공급받는다. 상기 탄소원으로는 메탄올을 사용하는 것이 바람직하며, 질산성 질소이온 농도에 따라 질산성 질소 1㎏당 2.5~3㎏의 메탄올이 탈질에 필요하다.

또한, 유입되는 폐수에 따라 변동하는 질산성 질소의 양은 온라인 분석기 또는 습식분석법에 의해 분석된 농도를 기준으로 한다.

상기와 같이 탄소원이 공급된 다음, 상기 하단 폐수 유입구(13)로 유입된 폐수는 하단 미생물 충진층(23)을 통과하면서 폐수 중의 질소이온이 제거되고, 상단 폐수 유입구(14)로 유입된 폐수는 상단 미생물 충진층(25)을 통과하면서 폐수 중의 질소이온이 제거된다.

여기서, 상기 미생물 충진층 각각은 가로 직경에 대한 높이의 비가 1~1.5의 범위에 속하도록 형성되는 것이 바람직하다.

가로 직경에 대한 높이의 비가 1 미만일 경우 처리효율이 저하되는 문제점이 있고, 1.5를 초과할 경우 탈질이 이미 충분히 이루어져 불필요한 충진층이 존재하는 문제점이 있다.

상기 과정에서 분리된 질소가스는 상기 반응기(10) 상단의 질소가스배출구(19)를 통해 배출된다. 특히 상기 하단 미생물 충진층(23)에서 분리된 질소가스는 배출과정에서 상단 미생물 충진층(25)을 지나게 됨에 따라 상단 미생물 충진층(25)을 더욱 혐기적 조건으로 만들어 주며 탈질 효율을 높여주게 된다.

이렇게 상기 충진층을 통과하여 반응기(10)에서 처리된 폐수는 폭기조(미도시)를 거쳐 과잉 주입될 수 있는 잔여 메탄올이 처리되며, 상기 폭기조에서 배출되는 처리수는 침전조(미도시)를 거쳐 슬러지와 배출수로 구분되어 슬러지의 일부는 반송되며 배출수는 내부순환으로 재사용되거나 화학적 처리 시스템으로 유입된다.

한편, 상기에서 설명되지 않은 도면부호 21은 공기 주입구로, 이를 통해 역세과정에서 압축공기를 공급하게 된다.

[실시예]

본 발명에 따른 2단의 충진층을 갖는 생물막 반응기를 이용하여 질산성 질소를 포함하는 폐수를 처리하고 난 다음 처리수 내의 질소 함유량을 측정하였다.

이 때, 유입수 내의 질산성 질소의 농도는 1000㎎/L, 메탄올 공급량은 3000㎎/L로 하였으며, 반응기 내 체류시간은 대략 4시간으로 하였다. 또한, 충진층의 조건은 미생물 충진율이 60% 이상이 되도록 하였다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2단 충진형 생물막 반응기로 유입된 폐수 내의 질산성 질소를 처리하고 난 후 처리수 내의 질소 함유량의 변화를 시간에 따라 나타낸 것이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 처리수 내의 총질소는 시간이 지날수록 줄어들어 대략 10일이 경과하고 난 후부터는 규제한도인 60㎎/L 이하를 유지하게 된다.

이는 충진층의 가로 직경에 대한 높이의 비를 1~1.5로 하더라도 폐수 내의 질산성 질소가 안정적으로 처리될 수 있음을 의미하며, 특히 상단 충진층은 하단 충진층에서 발생하는 질소가스로 인하여 보다 혐기적인 조건이 되어 그 처리효율이 높아지는 것을 볼 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 다단식 충진형 생물막 반응기에 의하면, 전체적인 반응기의 단위시간당 처리량을 충진층 단수만큼 증대할 수 있으며 또한, 충진층의 혐기적 조건을 강화할 수 있어 더욱 높은 효율로 폐수 중의 질산성 질소를 처리할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 미생물 충진층 하단으로부터 고농도 질산성 질소이온을 함유한 폐수를 유입하여 상기 미생물 충진층을 통과시킨 다음 질소가스를 분리하고 처리수를 배출하는 탈질용 충진형 생물막 반응기에 있어서,

   상기 미생물 충진층이 상하로 적어도 2단 이상 분리되어 형성되고, 상기 각각의 미생물 충진층의 하단에 폐수 유입구가 구비되고 상단에 처리수 배출구가 구비되며, 질소가스 배출구가 상기 반응기 상단에 구비되는 것을 특징으로 하는 다단식 충진형 생물막 반응기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미생물 충진층 각각은 가로 직경에 대한 높이의 비가 1~1.5의 범위에 속하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다단식 충진형 생물막 반응기.