KR20030094810A - 침적형 고정층 미생물막법을 이용한 수처리 방법 - Google Patents

침적형 고정층 미생물막법을 이용한 수처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 호수, 저수지, 양어장등에 고여있는 오염된 물을 정화하기 위하여 고정층미생물막법(Biological Aerated Filter)을 이용하는 것으로, 미생물 접촉여재를 충진한 미생물반응기를 수중에 침적시키고 미생물을 배양한 후 공기의 포기와 동시에 발생하는 물의 순환을 이용하여 별도의 펌프설비 없이 생물학적으로 호수, 저수지, 양어장등의 물을 연속적으로 정화할 수 있다.

Description

침적형 고정층 미생물막법을 이용한 수처리 방법{METHOD AND APPARATUS FOR THE TREATMENT OF CONTAMINATED WATER BY SUBMERSIBLE BIOLOGICAL AERATED FILTER}
본 발명은 흐름이 없이 고여있는 물의 수질정화를 위하여 고농도의 미생물막 형성이 가능한 미생물 접촉여재를 충진한 침적형 미생물막을 이용한 수처리 및 악취제거장치에 관한 것이다.
흐르지 않고 호소등지에 고여있는 물은 자연계에서 생성되는 유기물은 물론 인공적으로 유입되는 오염물과 물에서 서식하는 온갖 동물들의 배설물 등에 의해 오염이 점차 심해지고 있는 실정이다. 이러한 오염물들로 인하여 미생물이 과다하게 번식하여 수중의 용존산소 농도를 낮추고, 호소 바닥에 침적되어 바닥 퇴적층을 부패시키며, 부패에 따른 황화합물과 메탄가스등의 발생으로 악취가 발생하고 호소에 포함된 물의 전체적인 부패현상 뿐만 아니라 부영양화에 의한 녹조현상이 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 호소정화를 위한 많은 정화방법이 개발되고 있으나 호소 내부에 있는 오염물질만 선택적으로 분리하는 것은 많은 비용을 필요로 하고, 퇴적층을 제거하는 것 역시 대규모 토목공사를 동반하는 고난이도의 일일 뿐 아니라 공사완료 후 짧은 시간내에 오염이 다시 진행되는 등 문제점이 있다.
호소에 유입된 오염물은 호소에 전반적으로 퍼져 희석되므로 그 농도가 매우 낮다는 특징을 가진다. 따라서 일반적인 폐수처리 방식을 적용하기에는 농도가 너무 낮을 뿐 아니라 그 오염물을 정화하기 위하여 미생물 제재나 화학약품을 살포하기에도 그 규모가 방대하고, 효과를 기대하기 어려울 뿐 아니라 인위적인 약품살포는 그 효과보다는 오히려 오염을 가중시키는 역효과를 나타낼 수 있다.
본 발명은 고정층 미생물막을 수중에 침적시키고 포기하여 미생물을 배양하고, 포기와 동시에 발생하는 물의 흐름을 이용하여 연속적으로 오염된 호소의 물을 반응기 내부로 통과시켜 저농도 오염물을 제거하고 미생물 대사에 의해 발생하는 슬러지를 미생물 여재층에 축적시켜 물로 분산되지 않게 하여 물을 정화할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 상향류식 공정도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하향류식 공정도이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 사시도이다.
< 도면 주요 부호에 대한 참조부호의 설명 >
1..침적형 미생물반응기 2..미생물접촉여재
3..여재지지대4..슬러지저류조
5..유입수유입구6..슬러지제거용노즐
7..산기장치8..반응기지지대
9..고리10..여재손실방지대
11..공기유입배관
호소등의 정체된 물은 자체 정화 능력에 비하여 과다하게 유입되는 오염물에 의하여 오염도가 증가하고, 유기물 및 영양염류의 퇴적으로 인하여 바닥으로부터 혐기성 부패 현상이 일어나 악취가 발생하는 경향이 많이 발생한다. 본 발명은 고정층 생물막반응기를 수중에 침적시켜 연속포기를 하므로서 발생되는 미생물에 의하여 수중의 용존성 유기물과 질소성분을 미생물 대사작용에 의하여 제거하고, 부유성 물질은 미생물 접촉여재의 필터효과에 의해 동시에 제거하는 기술에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 하부가 망으로 구성된 침적형 반응기, 미생물 접촉여재, 하부 슬러지 저류조, 산기장치, 하부슬러지 제거장치를 포함하는 수질정화장치를 제공한다.
또한 본 발명은 반응기를 수중에 침적된 상태로 유지시키도록 하기 위하여 지지체가 설치되거나 적당한 수위에서 고정될 수 있는 장치를 제공한다.
유기물 및 기타 영양염류등으로 오염된 호소수는 호소 바닥의 자갈등에 부착되어 있거나 호소수 내부에 부유하는 미생물에 의하여 자체정화 기능을 갖는다. 그러나 자연적인 수질정화는 오염물 유입이 적을 경우에나 가능한 사항이고, 필요이상의 오염물이 유입되는 경우 수중의 미생물이 과다성장에 따른 산소소비가 늘어나고 따라서 퇴적된 오염물의 부패 현상이 발생하게 된다. 따라서 호소수의 탁도가 증가하고 혐기성 부패에 따른 황화합물 생성으로 악취가 발생하여 불쾌감을 줄 수 있다.
고정층 미생물막법은 저농도 수처리에 많이 사용되는 방법으로 미생물이 부착하여 미생물막을 형성할 수 있는 접촉여재를 반응기에 채우고 공기를 주입하면서 오염된 물을 통과시켜 이 오염된 물을 잘 처리할 수 있는 미생물을 배양하여 수질을 정화하는 수처리 방법이다. 고정층 미생물막법은 미생물 접촉여재에 미생물막을 형성시켜 오염물을 제거하는 방법으로 미생물이 접촉여재에 집중적으로 부착 성장 하므로 미생물농도가 상대적으로 높아 그동안 부유식 생물학적 수처리법의 한계로 여겨지던 저농도의 수질정화가 가능한 방법이며 최근 오,폐수 고도처리에 많이 사용되는 방법으로, 현재까지는 이러한 고정층 미생물 반응기 설계시 지상에 설치하고 펌프에 의한 물의 이동이 주된 방법이었다.
본 발명은 오염된 수질 정화를 위하여 고정층 미생물 반응기를 수중에 침적시켜 미생물 접촉여재에 고농도의 미생물을 배양하고, 수중포기에 의한 펌핑효과를 이용하여 물을 순환시킴으로 별도의 펌프설비가 필요 없으며, 고농도 미생물막의 작용에 의하여 수중의 용존성 유기물 및 영양염류는 물론, 부유성 입자까지 동시에 제거하는 수질정화 방법을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로한다.
도 1 는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상향류식 반응기 공정도이다. 이를 참조하면 침적형 고정층 미생물반응기(1)는 호소에 설치하여 완전히 물에 잠기도록 한다. 여기서 반응기 형태는 사각형 형태를 갖추고 있지만 이 외의 원형 및 다른 형태의 외형을 형성할 수 있음은 물론이다.
미생물접촉여재(2)는 세라믹, 플라스틱, 조개껍질, 굴껍질, 고분자 섬유상 물질, 활성탄, 자갈, 모래등 그 재질, 크기 및 형태에 구애를 받지 않으며 미생물과 친화력이 있고 장시간 물에 침적상태로 있을 때 손상을 받지 않는 것으로 한다. 미생물접촉여재(2)는 반응기 내부 중간부분에 충진 되는데 접촉여재의 상부 또는 하부부분에는 미생물 여재를 지지하며 동시에 물을 통과시킬 수 있는 망 형태의 지지체(3)가 설치되어 있다. 이 여재 지지체(3)는 미생물접촉여재(2)의 종류에 따라 설치 위치가 결정되는데, 접촉여재의 밀도가 1보다 커서 여재가 물에 가라앉는 경우 접촉여재(2)의 하부에 설치하여 여재가 아래로 유실되는 것을 막고, 접촉여재의 비중이 1보다 작아 물에 뜨는 경우 접촉여재(2) 상부에 설치하여 포기에 의한 접촉여재 유출을 방지하도록 한다.
접촉여재의 아랫부분은 슬러지저류조(4)로 유입수에 포함되어 동반 유입되는 슬러지 중 입자크기가 커 침전되는 슬러지를 저장할 수 있도록 되어있다. 유입수는 슬러지저류조(4)에 설치된 유입수 유입구(5)를 통하여 유입되는데 유입수 유입구(5)는 유입수가 유입될 때 바닥에 침적된 퇴적물에 영향을 주지 않을 정도로충분히 높은 지점에 위치해야 하며, 유입된 물은 접촉여재(2)층을 통과하여 개방된 상부로 배출되게 된다. 또한 슬러지저류조(4)에는 유입수와 동반 유입되어 슬러지저류조에 침적된 잉여슬러지를 제거하기 위한 슬러지제거용 노즐(6)이 설치되고 슬러지저류조에 과잉의 슬러지가 쌓이면 외부에서 배관을 본 슬러지제거용 노즐(6)에 삽입하고, 펌프를 이용하여 쉽게 제거할 수 있도록 하였다.
미생물접촉여재(2)층 중간에는 미생물의 대사에 필요한 산소를 공급하기 위한 산기장치(7)가 되어 있다. 이 산기장치는 일반적으로 수처리에서 많이 사용하는 디퓨져, 다공성 파이프등 그 종류나 형태에 구애를 받지 않으며 전 반응기를 통하여 골고루 공기가 분포될 수 있도록 설치한다. 단, 수중 포기기를 사용하는 경우 별도의 산기장치가 필요 없을 수 있으며 본 내용은 추후 다시 언급토록 한다.
본 반응기를 수중에 설치하기 위하여 반응기지지대(8)를 설치하며 반응기(1)와 지지대(8)를 연결할 수 있는 고리(9)를 달아 반응기를 적당한 위치에 고정할 수 있게 한다. 단 접촉여재(2)가 무거워 하방향으로 많은 힘을 받는 경우 별도의 장치를 부착하여 반응기를 적당한 수위에서 유지시킬 수 있게 할 수도 있다.
접촉여재가 채워진 반응기에 공기주입배관(11)을 통하여 공기를 주입하면 산기관을 거쳐 접촉여재의 하단부분으로 미세한 크기의 공기가 유입되게 되고 부력으로 인하여 공기는 상부로 부상하게 되는데 이 때 주변의 물을 상부로 밀어 올리는 펌프 역할을 동시에 수행하게 된다. 따라서 유입수 유입구(5)를 통하여 주변의 물이 유입되게 되고, 공기 흐름을 따라 상부로 운송된 물은 반응기 상부를 통하여 주변으로 퍼지게 된다. 반응기 상부를 통하여 주변으로 유출되는 처리수는 접촉여재를통과하면서 포기되는 공기와 장시간 접촉하므로 용존산소의 농도가 포화용존산소 농도와 유사한 7 ~ 8PPM에 이르며 유입구(5)를 통하여 유입될 당시 포함하고 있던 유기물과 암모니아등 오염물들이 미생물 접촉여재를 통과하면서 미생물에 의해 분해 되거나 미생물 세포합성에 이용되었기 때문에 그 농도가 매우 낮아진 깨끗한 물이 배출되게 된다.
외부로 배출된 처리수는 풍부한 용존산소를 포함하므로 주변에 산소를 공급하는 역할을 할 수 있는데 이렇게 공급되는 산소에 의하여 주변의 혐기성 부패를 막아 악취발생을 방지할 수 있는 방법을 제공한다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하향류식 반응기 공정도로, 도 1 에서 언급한 상향류식 반응기와 동일한 유체흐름 원리를 가지고 있으나 반응기를 이중으로 구성하여 원수가 아래 방향으로 흐르도록 고안한 것이다. 상향류식반응기는 접촉여재(2)층과 포기층이 동일한 공간을 사용했음에 비하여, 하향류식 반응기는 접촉여재층(2)과 포기층이 별도로 구성된다. 공기가 포기층을 통과하며 상부로 부상하는 동안 주변의 물도 동시에 이동하는 것은 상향류식 반응기에서 전술한 바와 같다. 이와같이 포기에 따라 물의 이동이 일어나고 동시에 주변의 물이 상승 하므로 주변의 물을 끌어들이게 되는데 이 때 유입되는 물이 접촉여재층(2)을 통과하게 된다. 이 때 오염된 유입수는 반응기의 상단에서 유입되고 처리수 역시 반응기 상단으로 유출되므로 물의 흐름경로상 처리되어 배출되는 처리수가 다시 유입되는 경우가 있을 수 있으므로 유입수와 처리수의 경로를 전혀 다르게 유지시켜줄 수 있는 수로안내판(14)을 설치 하고 유출수를 넓게 퍼지도록 하여 유입수와 유출수가서로 접촉되지 않도록 한다.
상기 반응기에 공기를 공급하는 방식은 여러 가지가 있을 수 있다. 외부에서 송풍기를 이용하여 공기를 공급하는 경우 송풍기로부터 상기 반응기 까지 배관을 연결하고, 이 배관은 접촉여재(2) 내부에 설치되어 있는 산기장치로 연결되어 접촉여재층에서 전반적으로 골고루 포기가 되도록 산기장치(7)를 배치 하여야 한다. 반면 회전에 의한 원심력에 의해 외부공기를 흡입하여 수중에서 토출하는 수중포기기를 사용하는 경우 산기장치는 필요없게 된다. 수중포기기는 원심력을 이용하여 대기중의 공기를 수중으로 분산시키는 장치로 매우 적은 입자의 공기방울을 수중에 분산시킬 수 있는 장비이며 산업용으로 많이 사용되는 공지기술 이므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 언급된 반응기를 수중에 설치하고 포기를 시작하면 공기상승을 따라 물이 같이 상승되고 시간이 지나면서 접촉여재(2)층에 미생물이 번식하게 된다. 초기 미생물 배양을 위하여 하수처리장 반송슬러지 또는 미생물 제재등을 투입할 수 있으나 물 안에 살고있던 수중 미생물들에 의한 자연발생을 기대할 수도 있다.
미생물막법이란 여재의 표면에 형성된 미생물막과 폐수를 접촉시켜서 폐수중의 오염물을 제거하는 공정이다. 이것은 하천 바닥에 존재하는 자갈, 돌등의 표면에 원생동물, 조류, 윤충류, 세균등의 미생물로 구성되어 있는 미생물막층이 있어서 이것에 의해 하천이 자정능력을 갖게 되는데 이 원리를 이용하여 생물막에 의한 정화능력을 인위적으로 고효율화 시킨 것이 미생물접촉산화법이다. 이 때 미생물막이란 매질의 표면에 형성된 미생물의 점액물질과 그 함유물을 말하는 것이다.
매질표면에 부착된 미생물은 영양분인 유기물, 질소, 인등을 호기성 조건하에서 섭취해 성장하며 미생물막을 형성하며, 형성된 미생물은 활발한 대사작용을 통하여 수중에 존재하는 오염물질을 분해한다.
미생물막법 공정의 특성상 미생물이 접촉여재에 부착성장 하므로 미생물의 체류시간이 길어 유기물 제거용 미생물은 물론, 일반적인 미생물을 이용한 수처리 공정에서는 잘 자라기 어려운 질산화 미생물 역시 생물막에서는 성장속도가 빠르다. 수중의 질소제거를 위해서 생물학적 방법을 사용하는 경우 중요한 미생물종은 니트로조모나스(Nitrosomonas) 와 니트로박터(Nitrobacter)인데 이 두 미생물종은 성장에 필요한 에너지를 무기질소화합물을 산화시켜 얻기 때문에 독립영양군으로 분류되며, 세포 합성에 필요한 탄소원을 무기탄소를 이용한다. 이들 질산화미생물들은 생장속도가 매우 느리기 때문에 고정층 미생물막을 이용하는 경우 반응기 내 미생물 농도를 높이는데 큰 효과를 볼 수 있다. 상기 언급된 내용에 따라 수중 오염물을 제거하는 반응식을 보면 다음과 같다.
유기물 제거 및 세포합성
COHNS + O2+ 영양염류 --------> CO2+ NH3+ C5H7NO2+ 기타 생성물
미생물에 의한 질산화 공정
NH4 ++ 1.83O2+ 1.98HCO3 ------> 0.98NO3 -+ 0.021C5H7NO2+ 1.88H2CO3+ 1.041H2O
미생물에 의한 탈질공정
NO3 ---> NO2 ---> NO --> N2O --> N2
위 반응식에서 COHNS는 수중에 포함된 오염물을 나타내는 것이고, C5H7NO2는 미생물 세포를 나타내는 것으로 미생물은 수중 오염물을 이용하여 자신의 세포를 합성 함으로서 용존 오염물을 고형분으로 바꾸고, 고형분은 반응조 안에 체류되었다가 일정 기간마다 행하는 역세공정에 의하여 제거되거나 미생물의 활동에 필요한 에너지원으로 사용되기 위하여 자산화 되기도 한다. 또한 본 공정의 결과로 나타나는 처리수의 매우 높은 용존산소 농도는 주변에 산재된 퇴적물에 충분한 산소를 공급하여 호기성 상태를 유지시키므로 혐기부패에 의한 메탄(CH4) 및 황화수소 (H2S)등 악취가스 발생원인을 제거하여 악취가 발생되지 않도록 한다는 장점이 있다.
이러한 미생물막을 형성하기 위하여 미생물 접촉여재의 선택이 매우 중요한데 접촉여재는 친수성이며, 미생물과 친화력이 좋고, 적당한 형태와 크기로 가공이 가능하며, 장기간 수중에서 포기와 동시에 침적상태로 방치되었을 때 마손이 없어야 한다. 이러한 특징을 갖는 접촉여재 재질로 세라믹, 플라스틱류, 자갈, 모래, 섬모상 물질, 발포성 플라스틱등 현장 여건과 호소의 오염상태에 따라 선택할 수 있으며 수중의 입자성물질 농도에 따라 그 크기 역시 변경될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의하여 설명하되, 이 실시예가 본 발명을 한정하는것은 아니다.
실시예 1
도 3 에 도시한 바와 같은 장치를 양어장에 설치하여 수중의 유기물, 질소등 오염물을 제거하는 실험을 실시 하였으며 실험조건 및 결과는 다음과 같다.
- 반응기 규격(가로 x 세로 x 높이, mm) : 1000 x 1000 x 1200
- 여재부피 : 0.6 ㎥
- 여재종류 및 직경 : 세라믹, 10mm
- 반응기내 수리학적 체류시간 : 30 min
- 공기 선속도 : 15 m / hr
- 결과
오염물종류 유입농도(ppm) 유출농도(ppm)
BOD5 25 3
COD 23 7
SS 18 8.5
TN 30 13
상기 표의 결과는 반응기 유출수의 수질 데이타 이며, 연속적으로 물이 순환됨에 따라서 양어장의 수질이 계속적으로 개선되고, 바닥에 쌓여있던 퇴적물에 산소가 공급됨으로 부패에 따른 악취 발생이 제거되는 현상을 관찰할 수 있었다.
실시예 2
도 3 에 도시한 것과 같은 장치를 오염도가 비교적 덜한 관상용 저수지에 설치하고 운전하여 정화를 하였다.
- 반응기 규격(가로 x 세로 x 높이, mm) : 1000 x 1000 x 1200
- 여재부피 : 0.6 ㎥
- 여재종류 및 직경 : 세라믹, 10mm
- 반응기내 수리학적 체류시간 : 20 min
- 공기 선속도 : 20 m / hr
- 결과
오염물종류 유입농도(ppm) 유출농도(ppm)
BOD5 15 2
COD 22 10
SS 25 10
TN 17 6
본 발명은 호수, 저수지에 고여있는 오염된 물을 정화하기 위하여 고정층미생물막법(Biological Aerated Filter)을 이용하는 것으로, 미생물 접촉여재를 충진한 미생물반응기를 수중에 침적시키고 미생물을 배양한 후 폭기과정동안 동시에 발생하는 물의 순환을 이용하여 별도의 펌프설비 없이 생물학적으로 호수, 저수지등의 물을 연속적으로 정화하여 유기물은 물론, 질소까지 동시에 제거하여 녹조현상을 없앰은 물론, 수중의 용존산소 농도를 높여 바닥의 혐기성 부패에 의한 악취발생을 방지할 수 있다.

Claims (4)

  1. 수중의 오염물을 미생물을 이용하여 제거함에 있어 미생물 접촉여재를 충진한 반응기를 수중에 침적시키는것을 특징으로 하는 침적형 고정층 미생물막법을 이용한 수처리 장치.
  2. 미생물 접촉여재로 천연 또는 인조세라믹, 모래, 자갈, 활성탄, 플라스틱, 발포성플라스틱, 섬유상물질, 어패류껍질, 폐타이어등을 재료로 하는 미생물 접촉여재를 사용하는 것을 특징으로 하는 침적형 고정층 미생물막법을 이용한 수처리 장치.
  3. 물 순환을 위한 별도의 펌프설비 없이, 폭기용 공기를 이용하여 물의 순환흐름을 발생시키는 것을 특징으로 하는 침적형 고정층 미생물막법을 이용한 수처리 장치.
  4. 공기의 흐름에 따라 물의 흐름이 발생함에 있어 미생물 접촉여재층 통과시 상향류 또는 하향류로 흐름이 나타나는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
KR10-2002-0032117A 2002-06-08 2002-06-08 침적형 고정층 미생물막법을 이용한 수처리 방법 및 장치 KR100458764B1 (ko)

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