KR200324896Y1 - 수질정화용 생물막 유동상 담체 - Google Patents

수질정화용 생물막 유동상 담체 Download PDF

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KR200324896Y1
KR200324896Y1 KR20-2003-0015141U KR20030015141U KR200324896Y1 KR 200324896 Y1 KR200324896 Y1 KR 200324896Y1 KR 20030015141 U KR20030015141 U KR 20030015141U KR 200324896 Y1 KR200324896 Y1 KR 200324896Y1
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Abstract

본 고안은 원통의 종방향으로 외주면에 요철형 외부돌기부가 형성되고, 원통 내부에는 Y형의 3등분 격벽이 형성되며, 0.92 내지 0.96 g/cm3범위의 밀도를 갖는 원통형의 수질정화용 생물막 유동상 담체에 있어서, 상기 Y형 격벽의 각 중앙 지점에서 격벽에 대하여 적당한 길이의 내부돌기가 약 40°내지 약 70°의 각도로 형성되어 날개 모양을 이루고 있음을 특징으로 하는 담체에 관한 것이다.

Description

수질정화용 생물막 유동상 담체 {Carrier for Water Purification}
본 고안은 폐수처리용 생물막 유동상 담체에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 고안은 폐수처리 시스템을 구성하는 미생물 반응조에 투입되어 사용되는 것으로 처리 효율, 생산 단가, 수명 등에 있어서 종래 기술에 비해 현저히 개선된 수질정화용 생물막 유동상 담체에 관한 것이다.
수질오염에 대한 환경적 문제로 인하여 미생물을 이용하는 생물학적 폐수처리 방법의 개발과 적용이 증가하고 있다. 통상적으로, 미생물을 이용하는 생물학적 폐수처리 방법은 2차 오염의 유발을 최소화하기 위하여 화학적인 약품을 배제시켜 인체에 무해한 수질정화를 달성하는 장점을 가지고 있으므로 응용분야가 증가하고 있는데, 여기서 미생물을 담지하여 오염수와의 반응을 일으키도록 하는 담체 개발이 기술의 핵심을 이룬다. 이러한 생물학적 폐수처리 방법은 주로 오염수에 사용되고 있지만, 양어장, 수족관 등의 사육수, 수경재배시 수질정화 및 식수의 정화 등에도 광범위하게 사용될 수 있다. 전통적으로, 생물학적 방법은 미생물의 자연정화 작용을 인위적으로 반응조 안에서 고효율로 진행시키는 것으로서, 예를 들면 허니컴 방식, 회전원판장치, 생물접촉여과장치 등이 알려져 있으며, 보통은 수중 유기물의 함량을 감소시키는 데 사용되어 왔지만, 근래에는 생물공학적 방법도 암모늄의 제거(질화), 탈질화에 의한 질소의 제거 및 인의 제거에 사용되고 있다.
폐수 정화에 사용되는 생물학적 폐수처리 방법은 크게 호기성 폐수처리 방식과 혐기성 폐수처리 방식이 있다. 이러한 호기성 방식과 혐기성 방식 간에는 차이가 있는데, 호기성 공정에서는 미생물이 산소를 요하는 반면에, 혐기성 공정에 사는 미생물은 무산소 환경이어야 한다. 호기성 폐수처리는 혐기성 폐수처리에 비해 반응 시간이 짧고 유기 물질의 완전 제거 및 적은 면적을 차지하는 등의 장점을 가지고 있으며 이러한 호기성 폐수처리 방법은 세포합성에 필요한 세포 구성성분과 에너지를 유기물로부터 획득하고 자유 산소를 산화제로 이용하는 호기성 종속계 세균의 물질 대사를 이용하는 방법이다. 호기성 폐수처리 방법으로 널리 사용되는 방법은 활성 슬러지법, 회전원판법, 살수여상법 등의 생물막법이 널리 사용되고 있다.
생물학적 폐수처리 설비는 대부분 호기성 공정에 기초하고 있지만, 특히 농축 유기 산업폐수의 질소 제거 및 정화와 관련하여 혐기성 공정에도 관심이 증가하고 있다. 통상적으로 널리 사용되고 있는 폐수처리 방법으로서 활성 슬러지법은처리 효율은 높지만 반응조 체적의 대형화, 슬러지 반송 문제, 부하 변동에의 민감, 슬러지의 팽화현상 발생 등의 문제점이 있고, 회전원판법은 반응조의 체류 시간이 짧고 반수 및 슬러지의 반송이 필요치 않으며 시설을 다단으로 할 경우 각 단마다 다른 종류의 생물상을 구성할 수 있으며 살수여상보다 변동이 심한 폐수에도 사용이 가능하고 활성 슬러지법에 비해 동력 소비량이 적으며 조작이 쉽다는 장점을 가지고 있지만 악취가 많이 발생하고 추운 날씨에는 사용이 어렵다는 단점이 있다. 다른 방법으로 살수 여상법은 탱크 내에 돌이나 플라스틱으로 이루어진 담체에 폐수를 분사하여 통과시키는 방법으로 건설비 및 시설 유지비가 적게 소요되며, 폭기에 동력이 필요치 않고 담체 내에 많은 양의 미생물이 존재하므로 폐수의 수질이나 수량 변동에 덜 민감하여 슬러지의 반송이 필요치 않고 온도 변화에 대한 영향을 적게 받으며 슬러지 팽화 현상이 없으며 운전이 간편하다는 장점이 있는 반면에, 폐수의 농도가 높거나, pH가 낮은 경우에는 균류가 우세하게 나타나게 되고 이것이 심화되면 생물막이 비대해지고, 생물막의 탈락, 담체 층의 폐쇄현상, 악취 발생 등과 같은 문제점이 발생하게 된다. 또 다른 생물막 시스템의 일종인 바이오로터는 장치의 사전 제작에 기인하여 시스템의 유연성이 낮고, 고장시에 다른 시스템에의 변용이 곤란하다는 단점이 있으며, 세류 필터는 반응조의 크기가 대형화, 공급되는 산소가 바이오프로세스에 사용되고 유기물 부하에 상응하는 양으로 조절이 곤란하다는 단점이 있다.
전술한 기존의 폐수처리 방식의 이러한 단점들을 개선하기 위하여, 통상의 폐수처리에 미생물 흡착 담체와 같은 생물막 담체를 사용하고 있다. 생물학적 수질정화에 사용되는 생물막 담체는 미생물을 부착 증식시켜 폐수 중의 유기성 오염물질을 분해시키는 접촉 산화공법 등에 사용되는 것으로, 활성 슬러지 공법 등 다른 공법과 비교하여 슬러지 발생량이 적고, 슬러지 반송을 생략할 수 있으며, 부지 소요면적이 작고, 부하변동에 탄력적으로 대응할 수 있는 여러 가지 장점이 있어 이용이 증가하고 있다.
생물막 담체는 고정상과 유동상으로 구분되며, 고정상 생물막 담체는 시설비 소요가 크고, 설치에 장시간이 소요되며, 담체가 폭기장치의 보수작업에 장애가 될 수 있고, 추가 증설이 어려운 문제점이 있다. 반면에 생물막 유동상 담체는 반응조 내에 생물막 담체를 투입하는 것으로 설치가 완료되므로 설치가 용이하고, 필요에 따라 추가 투입 또는 제거가 용이하므로 충진량을 임의로 조절할 수 있는 등 여러 가지 장점이 있어 사용이 증가되는 추세이다.
생물막 유동상 담체가 일반적으로 구비하여야 할 필요조건은 1) 화학적 및 생물학적으로 안정하고 장기간 사용에도 견딜 수 있을 것, 2) 반응조 안에서 가라앉거나 반응조 안의 수면으로 떠오르지 않도록 밀도는 1.0에 가깝고 기계적 강도 등 내구성이 충분히 있을 것, 3) 비표면적(比表面積)이 클 것, 4) 표면상태가 적당한 조도(組度)를 가지며 미생물의 부착성, 증식성 및 고착성에 적합할 것, 5) 가공하기 쉽고 염가로 안정 공급될 수 있을 것 등이다.
미국특허 제5,543,039호에는 압출 성형된 짧은 원통형으로서 종방향으로 내부에 격벽이, 외부에 돌기가 구성되고, 총 표면적은 동일한 크기의 매끄러운 형태에 비해 2배 이상이며, 밀도가 0.90 내지 1.20 kg/dm3인 생물막 유동상 담체(도 3)가 기술되어 있다. 이 미국특허의 담체는 폐수처리용 생물막 유동상 담체가 갖춰야 할 상기 요건을 충족하는 듯하다. 그러나, 본 고안자들은 상기 미국특허에 기술된 담체를 여러 형태로 직접 제조하고 폐수 처리의 폭기조에 적용한 결과 일정 기간의 운전시에 각 형태의 담체 모두는 내부가 막혀 처리효율이 급격히 저하되는 심각한 문제가 발생함을 알게 되었다(도 9).
대한민국 실용등록 제20-0273124호에는 짧은 원통형으로 외주면에는 톱니형의 요철형 돌기부가 구비되어 있고 내부에는 Y자형 지지막이 형성되어 있는 생물막 유동상 담체가 기술되어 있다. 그러나, 이 대한민국 실용등록에는 담체가 짧은 원통형이라고만 언급되어 있고 담체의 형태가 Y형을 특징으로 하는 것은 담체의 표면적을 넓히고 유동을 자유롭게 하고자 하는데 목적이 있음을 알 수 있으나, 실제 어느 정도의 개선 효과를 제공하는지에 관한 데이터가 없다. 그러나, 본 고안자들은 상기 대한민국 실용등록에 기술된 형태의 담체를 상기 미국특허 제5,543,039호에 기술된 담체와 거의 동일한 밀도 및 크기로 직접 제조하고 폐수 처리의 폭기조에 적용한 결과 운전시에 담체의 내부가 막히는 현상이 발생하지는 않았으나 상대적으로 처리 효율 및 유동성이 상당히 떨어지는 것으로 밝혀졌다.
본 고안의 목적은 상기 미국특허 제5,543,039호 및 대한민국 실용등록 제20-0273124호에 기술된 폐수처리용 생물막 유동상 담체의 단점을 개선한 담체를 제공하는데 있다. 본 고안자들은 미국특허 제5,543,039호 및 대한민국 실용등록 제20-0273124호에 기술된 폐수처리용 생물막 유동상 담체로부터 많은 변형 형태를 실제로 제작하고 폐수처리 시스템에 적용하여 실험한 결과 장기간에 걸쳐 시스템을 운전하여도 원통형 담체의 외부에는 미생물막이 거의 형성되지 않으며 대부분이 내부의 공간에서만 미생물막이 형성됨을 발견하였으며, 또한, 담체의 내부에 형성된 격벽 모양이 미생물막의 형성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 담체가 폐수중에서 유동하는데에도 영향을 미쳐 결국에는 폐수 처리 효율을 실질적으로 결정하는 주요 요소임을 발견하였다. 본 고안에 따른 폐수처리용 생물막 유동상 담체는 내부에 넓은 면적의 생물막을 형성하고, 장기간 사용에도 생물막이 탈리되지 않으면서 내부의 막힘 현상이 발생하지 않으며, 또한 우수한 유동성을 제공하는 구조를 구성함으로써 폐수처리 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 고안의 한 양태로서 폐수처리용 생물막 유동상 담체의 평면도이다.
도 2는 본 고안의 다른 한 양태로서 폐수처리용 생물막 유동상 담체의 평면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 폐수처리용 생물막 유동상 담체의 평면도이다.
도 4는 본 고안에 따라 제조된 도 1의 폐수처리용 생물막 유동상 담체를 측면에서 촬영한 확대된 광학 사진이다.
도 5는 종래 기술에 따른 도 3의 폐수처리용 생물막 유동상 담체를 측면에서 촬영한 확대된 광학 사진이다.
도 6은 폐수처리 시스템의 30일 운전 후 폭기조에서 수거한 본 고안에 따른 도 4의 폐수처리용 생물막 유동상 담체를 촬영한 확대된 광학 사진이다.
도 7은 폐수처리 시스템의 30일 운전 후 폭기조에서 수거한 종래 기술에 따른 도 5의 폐수처리용 생물막 유동상 담체를 촬영한 확대된 광학 사진이다.
도 8은 폐수처리 시스템의 8개월 운전 후 폭기조에서 수거한 본 고안에 따른 도 4의 폐수처리용 생물막 유동상 담체를 촬영한 확대된 광학 사진이다.
도 9는 폐수처리 시스템의 8개월 운전 후 폭기조에서 수거한 종래 기술에 따른 도 5의 폐수처리용 생물막 유동상 담체를 촬영한 확대된 광학 사진이다.
도 10은 폐수처리용 생물막 유동상 담체가 적용되는 폐수처리 시스템의 개략도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명〉
10: 담체 11: 외부돌기부
12: 내부돌기부 13: 격벽
14: 생물막 15: 외주면
16: 담체 내부 17: 굽이진 부분
본 고안은 원통의 종방향으로 외주면에 요철형 외부돌기부가 형성되고, 원통 내부에는 Y형의 3등분 격벽이 형성되며, 0.92 내지 0.96 g/cm3범위의 밀도를 갖는 원통형의 수질정화용 생물막 유동상 담체에 있어서, Y형 격벽의 각 중앙 지점에서 격벽에 대하여 적당한 길이의 내부돌기부가 약 40°내지 약 70°의 각도로 형성되어 날개 모양을 이루고 있음을 특징으로 하는 담체에 관한 것이다.
본 고안의 담체는 생활 하수, 오수, 공장 폐수, 양어장, 수족관의 사육수(이하, 폐수) 등의 호기성, 무산소성 및 혐기성 방식의 생물학적 폐수처리에 유용하게사용된다. 본 고안의 담체는 생물학적 폐수처리 장치의 미생물 증식 반응조, 미생물 접촉조, 미생물 여과조, 폭기조 등에서 사용되어 생물막을 형성한다. 생물막은 담체 상에 형성되는 미생물, 즉 박테리아 배양균으로 구성된 층으로 이해되며, 여기에서 박테리아는 원하는 수질정화 방식에 따라, 호기성, 무산소성 또는 혐기성 박테리아일 수 있다. 생물막을 구성하는 미생물의 종류는 매우 다양하며 잘 알려져 있다. 생물막을 갖는 본 고안의 담체는 폐수가 공급되는 반응조에 투입되어 반응조안의 폐수중에 부유(suspended)되어 폐수의 유기물이 생물막의 균체에 의해 분해 처리된다.
본 고안의 담체는 0.92 내지 0.96 g/cm3범위의 밀도를 갖고, 외주면을 기준으로 직경이 10 내지 12 mm이고 높이가 8 내지 10 mm의 크기를 갖는 원통형으로서, 이에 알맞은 재질은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 등의 합성수지로 통상적인 압출 성형에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 이러한 담체 재료는 기계적 강도 등 내구성이 크고 장기간 사용할 수 있어 반영구적이며, 저렴하고 손쉽게 입수할 수 있어 비용면에서 경제적이며, 반응조에 가라 않지도 않고 수면 위로 부상하지도 않으면서 부유 상태로 유지되면서 폐수 처리에 최적의 효율을 제공하는 생물막을 형성한다.
본 고안의 담체는 원통 내부에 형성된 Y형 격벽에 돌기부가 형성되는데 이 돌기부(이하 "내부돌기부"라 한다)는 3개의 격벽 각 중앙 지점 또는 그 근처에서 격벽에 대하여 약 40° 내지 약 70°의 비스듬한 날개 모양을 취한다. 본 고안에따른 내부돌기부의 각도는 중요하며, 담체의 폐수내 유동성을 촉진하는 역할을 하는데 이것은 비스듬한 날개 돌기에 의해 담체가 폐수중에서 자유롭게 회전하도록 하는 기능을 제공하는 것으로 생각된다. 내부돌기부는 또한 미생물막에 의해 담체의 내부가 막히지 않는 정도로 미생물막이 형성되는 표면적을 넓혀주는 역할을 하여 폐수처리의 효율을 극대화한다. 내부돌기부의 길이는 상기한 외주면 직경의 약 1/4 내지 약 1/5, 즉 약 2 내지 약 3 mm가 바람직하다.
본 고안에 따른 담체의 내부돌기부는 도 1에 도시된 바와 같이 두개의 내부돌기부가 Y형 격벽의 중심을 향하거나, 반대로 도 2에 도시된 바와 같이 두개의 내부돌기부가 원통형의 외주면을 향할 수 있다.
본 고안에 따른 담체의 외주면은 다수의 돌기가 형성될 수 있는데 이 역할은 담체가 서로 부딪힐 때 완충작용을 한다. 본 발명에 이르러 외주면에는 돌기가 형성되어도 거의 생물막을 형성하지 못하는데 이는 서로가 부딪혀서 수시로 막이 탈리되기 때문인 것으로 생각된다. 따라서, 외주면의 표면적은 폐수처리의 효율에 영향을 미치는 인자로 고려되지 않을 수 있을 것이다.
본 고안의 한 양태는 a) 직경이 10 내지 12 mm이고 높이가 8 내지 10 mm인 원통형 요소의 종방향으로 외주면 또는 내주면과 외주면에 요철형 돌기부가 형성되고, 그 내부에는 Y형의 3등분 내부 격벽이 형성되며, 3개의 각 격벽에는 중앙 부분에 격벽의 중심을 향하여 격벽에 대하여 50° 내지 60°의 비스듬한 2 내지 3 mm의 내부돌기부가 형성된 구조를 갖고, b) 0.92 내지 0.96 g/cm3범위의 밀도를 갖는 수질정화용 생물막 유동상 담체를 제공한다.
본 고안의 다른 양태는 a) 직경이 10 내지 12 mm이고 높이가 8 내지 10 mm인 원통형 요소의 종방향으로 외주면 또는 내주면과 외주면에 요철형 돌기부가 형성되고, 그 내부에는 Y형의 3등분 내부 격벽이 형성되며, 3개의 각 격벽에는 중앙 부분에 외주면을 향하여 격벽에 대하여 50°내지 60°의 비스듬한 2 내지 3 mm의 날개 돌기부가 형성된 구조를 갖고, b) 0.92 내지 0.96 g/cm3범위의 밀도를 갖는 수질정화용 생물막 유동상 담체를 제공한다.
본 고안의 담체는 조정된 양을 반응조에 공급함으로써 수질정화에 사용되며, 정화될 물은 담체상에 부착되어 성장하게 될 생물막에 의해 반응조에서 처리되어 오염물의 목적하는 전환을 일으킨다. 적당하게는, 바닥에 입수구가 있고 상부에 정화수 배출구가 있는 반응조가 사용되지만, 특히 적당한 혼합 및 순환 장치가 사용될 경우에 그러한 위치는 필수적인 것은 아니다. 반응조에는 편리하게는 담체의 최소 직경보다 작은 망 형태의 여과수단이 장치되어 반응조로부터 담체의 이탈을 방지한다. 담체는 반응조의 내외로 용이하게 펌핑될 수 있으며, 유지관리에 작동 중지를 요하지 않는다.
반응조의 크기가 완전히 개방적이며 고형의 비-다공성 입자로 구성되는 생물막에 대한 성장면은 반응조 내에서 주변에서 폭기에 의해 또는 수력학적 힘에 의한 난류의 결과로 순환 회전하는 반면에, 입자의 비중은 거의 1.0 g/cm3에 매우 근접한다. 반응조는 완전 폐쇄형일 수 있으며, 침지된 담체 재료는 수중 불순물과 담체상의 미생물간의 최적 접촉을 가능케 하고, 또한 공정으로부터 가능한 냄새 물질을 완전히 통제할 수 있게 한다. 반응조에는 산소의 소모와 공급간의 정확한 조정을 가능케 하는 폭기 과정을 통해 산소가 첨가될 수 있어서, 유기물 부하량은 생물량(biomass)에 의해 소모된 것에 따라 조정될 수 있다는 점에서 본 고안에 따른 담체는 종래기술 담체에 비하여 여러 이점을 제공한다.
본 고안의 담체를 사용하는 시스템은 반응조가 개방되고 따라서 폐쇄 현상이 일어나지 않는다는 점에서 활성 슬러지 시스템과 동일한 이점이 있으며, 아울러 사용되는 반응조는 실제로 임의 형태일 수 있다.
본 고안 담체가 사용되는 폐수처리 시스템에서, 생물막 담체는 고정상이 아니라 반응조에서 스트림과 같이 이동하기 때문에 폐쇄 현상이 잘 일어나지 않는다. 반응조 내의 폭기 장치가 폐쇄될 경우, 담체를 단순히 펌핑시킴으로써 매우 용이하게 제거된다. 마찬가지로, 공정이 가동될 경우 반응조 중으로 담체가 펌핑될 수 있다.
본 고안의 담체가 투입되는 반응조가 혐기성 공정에 사용될 경우, 즉 폭기가 없는 경우에, 담체는 예를 들면 프로펠러 교반기에 의해 또는 순환 펌핑에 의해 연속적 또는 간헐적 교반에 투입된다.
본 고안에 따른 생물막 유동상 담체가 사용되는 폐수처리 시스템에 있어서, 작업에 요구되는 단위 체적당 표면적이 결정될 수 있으며, 이러한 이유 때문에 산소 공급이 산소 소모와 정확하게 부합하도록 조정될 수 있다. 산소 공급은 또한 순수한 산소 대신에 공기가 산소첨가에 사용될 수 있도록 조정될 수 있다. 미생물에 의해 형성되는 생물막이 성장하는 담체는 비교적 크고, 가라 않지 않으면서, 회전하거나 또는 회전 상태가 유지되어서, 담체의 밀도는 물의 양과 무관하게 반응조를 통해 원하는 정도로 선택될 수 있다.
호기성 생물학적 공정의 경우, 반응조의 내용물은 폭기된다. 폭기를 통해 담체는 반응조에서 철저히 혼합되고, 담체와 폐수내 기질간의 양호한 접촉이 보장되게 된다.
혐기성 공정의 경우, 반응조의 내용물은 폭기되지 않는다. 반응조 내용물의 철저한 혼합은 예를 들면, 기계적 교반(프로펠러 교반기)에 의해 또는 반응조 내용물의 순환 펌핑에 의해 보장된다.
통상적으로, 담체의 단면보다 약간 작은 구경을 갖는 망 형태의 여과수단을 통해 반응조 밖으로 물이 유동할 때 담체는 반응조에 잔류될 것이다. 특수 용도를 위해서는, 예를 들면 인의 생물학적 제거 시에, 담체를 반응조 밖으로 내보낼 수 있을 것이며, 이는 나중에 분리되어 반응조로 반송된다. 이는 담체상에서 성장하는 생물막이 호기성 및 혐기성 반응조 모두를 통해 유동하도록 수행된다.
본 고안기술의 담체가 사용되는 반응조는 호기성 및 혐기성 공정 모두에 대해 완전 폐쇄형의 사전 제작된 형태일 수 있다. 이러한 점은 반응조에서 생성될 수 있는 냄새를 완전히 통제할 수 있게 한다.
반응조에 투입되는 담체의 양은 사용 분야와 이용 가능한 반응조 용량에 따라 다양하게 변하게 되며, 보통은 빈 탱크내 담체가 반응조 용량의 30 내지 70%를 차지하게 되는 양이다. 그러나, 이러한 양은 반응조가 작업하고자 하는 기질 부하량에 맞게 조정될 수 있다. 따라서, 양은 반응조의 산소 첨가능에 의해 결정될 수 있다.
반응조의 치수를 정할 때 결정해야 할 세 가지 가장 중요한 값은 반응조의 용량, 단위 체적당 담체의 개수 및 공급될 산소량(호기성 반응조의 경우에)이다.
전술한 바와 같이, 본 고안의 담체가 사용되는 반응조는 제거되어야 할 물질의 생물학적 분해에 기초한 모든 정화 기술에 대해 사용될 수 있지만, 가장 일반적인 사용 분야는 호기성 반응을 통한 폐수내 유기 물질의 제거, 혐기성 반응을 통한 농축 유기 하수내 유기 물질의 제거 및 호기성 반응을 통한 아질산염 및 질산염에 의한 암모늄의 제거(질화), 혐기성(무산소) 반응을 통한 아질산염 및 질산염의 질소 가스로의 환원에 의한 질소의 제거, 호기성/혐기성 반응을 통한 인의 제거이다.
본 고안의 생물막 유동상 담체를 사용하는 폐수 정화에 있어 다음과 같은 이점을 제공한다. 본 고안에 따른 담체가 사용되는 반응조는 단위 체적당 생물량이 더 높기 때문에 오염물의 주어진 단위 중량을 제거하는 데 소형의 반응조 체적을 요한다. 반응조가 사전 제작된 형태인 경우에, 통상의 용액에서 보다 가능한 악취성 가스의 더 양호한 관리를 달성하기 위하여 반응조는 통상적으로 폐쇄된다. 호기성 양태에서, 통상의 시스템에서보다 산소 요구량과 부합하여 산소 공급의 더 양호한 조정 가능성이 존재한다. 생물량과 공급된 공기간의 큰 접촉면에 기인하여, 산소가 본 고안 담체가 사용되는 반응조에서 더 잘 이용되는 것으로 믿어진다. 이는 공기 요구량의 감소를 수반하고 결과적으로 반응조 작동을 위한 에너지 비용을 더 낮춘다. 본 고안에 의한 생물막 유동상 담체는 반응조로부터 제거하기가 훨씬수월하여, 반응조 컨테이너와 폭기 시스템 모두의 클리닝, 검사 및 유지관리를 단순화하고, 생물막 성장 표면 매질의 폐쇄 현상에 대한 위험을 감소시킨다. 특히, 본 고안의 생물막 유동상 담체는 고도의 처리효율을 제공하는 한편 장기간 사용하여도 담체의 폐쇄 현상이 일어나지 않아 반영구적으로 사용가능하다.
이하에서는 도면을 참고로 본 고안의 유동상 담체의 구조를 좀더 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 고안의 유동상 담체(10)는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 일반적으로 입수가 용이하고 가격이 저렴한 통상의 합성수지 재질로 제조된다. 담체의 형상은 짧은 원통형 요소 형태이고 이의 치수는 높이가 약 8 내지 약 10 mm이고 외주면을 기준으로 직경이 약 10 내지 약 12 mm 정도이다. 담체의 외주면(15)에는 약 1.2 내지 1.5 mm 간격으로, 대략 1.0 내지 1.2 mm 높이의 복수개의 요철형 외부돌기부(11)가 형성될 수 있는데, 본 고안자들의 실험에 의하면 담체를 장기간 사용하여도 외주면에는 미생물 막이 기대했던 것 보다 훨씬 낮은 정도로 형성되며(거의 형성되지 않는 경우가 많았음) 처리효율에 미치는 영향은 고려할 필요가 없을 정도로 극히 미미한 것으로 밝혀졌다. 이에, 담체의 외주면에는 그러한 돌기부가 반드시 필요하는 것은 아니지만 담체간의 충돌에 의해 파손되는 것을 방지해 줄 수 있는 완충 작용을 기대할 수 있으므로 반드시 필요한 것은 아니라고 할지라도 외주면에 외부돌기부가 형성되는 것이 담체의 수명을 위해 바람직한 것으로 판단된다. 담체의 내부(16)에는 Y형태로 3등분 격벽(13)이 일체로 형성되어 있으며, 격벽(13)의 양면에는 내부돌기부(12)가 형성되어 있음을 특징으로한다. Y형 격벽(13)에 부설되는 내부돌기부(12)는 길이가 약 2 내지 3 mm 정도이고 격벽(20)에 대하여 40°내지 70°(α), 바람직하게는 50 내지 60°정도의 소정 각도를 이루어 부설되어 있다. 이렇게 담체 내면에 일체로 형성된 내부 격벽(13)과 여기에 부설되는 내부돌기부(12)는 미생물이 부착 성장하여 생물막(14)을 형성하는 표면적을 넓히는 한편 굽이진 부분(17)을 다수 제공함으로써 미생물이 좀더 용이하고 견고하게 부착되어 성장할 수 있도록 하며, 폭기장치에 의한 산소 또는 공기의 공급시 발생하는 난류 및 담체간의 충돌 또는 반응조와의 충돌, 생물막의 비대화 등에 의해 발생하는, 미생물이 부착하여 생성된 생물막의 탈리 시에도 다시 생물막을 형성하는 데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있다. 한편으로, 담체의 내부 공간은 기본적으로 세 개의 격벽으로 나누어져 있기 때문에 담체 내부가 폐쇄되지 않을 정도로 충분한 공간을 확보하고 있어 장기간 사용할 수 있다는 이점이 있다.
이러한 구조를 취하고 있는 본 고안에 따른 생물막 유동상 담체는 폐수처리 장치의 미생물 반응조에 투입되어 사용될 때, 미생물 반응조 바닥에 설치된 폭기 장치로부터 폭기되는 공기에 의해 상기 담체가 반응조 안의 물을 따라 순환시 요철형 돌기부가 서로 맞물려 회전하면서 미생물 반응조의 상하로 고르게 순환하여 미생물 반응조 내부의 물에 포함된 유기물의 제거를 효율적으로 수행한다.
일반적으로 미생물 반응조는 내부에 폭기장치가 구비되어 있어 폭기장치로부터 공기가 지속적으로 공급되어 물이 순환하도록 되어 있고, 반응조 내부의 물속에는 다수의 유동상 담체가 고밀도로 충진되어 폭기장치 등에 의한 물의 순환으로 유동하면서 이 유동상 담체에 부착된 생물막이 폐수와 반응하여 유입된 폐수의 BOD와COD를 낮추고 유기물질의 생물학적 분해를 달성하게 된다.
도 10을 참조로 하여 본 고안의 생물막 유동상 담체가 반응조에 투입되어 작동되는 방식을 설명하면, 미생물 증식 반응조에는 폐수 중으로 산소를 공급하여 폐수에 함유된 유기물질과 질소 등의 유해물질을 제거하도록 폭기장치가 구비되거나 교반기가 구비되어 있다. 또한, 상기 미생물 증식 반응조에는 폐수 중에 함유된 유해성분을 미생물에 의해 보다 효율적으로 처리할 수 있도록 미생물 증식 수단인 본 고안의 생물막 유동상 담체가 다량 포함되며, 상기 담체는 고농도의 미생물이 최적의 상태로 활성이 유지되고, 반응조 안에서 침강하지 않고 수면으로 부상하지도 않으면서 부유 상태로 보다 용이하게 유동되도록 밀도가 대략 1 g/cm3, 바람직하게는 0.92 내지 0.96 g/cm3범위이며, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 합성 수지 재질로 이루어지고, 원통형 요소의 외주면에는 폐수가 원활하게 접촉되도록 대체로 높이 8 내지 10 mm 및 직경 10 내지 12 mm 정도의 돌기부가 형성되고, 그 내부에는 미생물이 고농도로 효율적으로 증식되도록 Y형의 3등분 내부 격벽을 일체로 형성하고 그 격벽 양면에도 내부돌기부를 형성하여 그 내부 표면적이 약 600m2/m3로 이루어지며 담체의 유동성을 강화시켜 주고, 외주면에 형성된 다수의 돌기부는 상호 충돌시 충격을 완화하고 서로 맞물려 원활하게 유동될 수 있게 한다.
또한, 상기 미생물 증식 수단인 유동상 담체는 서로 맞물려 유동을 촉진하여 미생물의 증식을 극대화시켜 유해물질을 보다 효율적으로 처리하며, 상기 미생물 증식 반응조 체적의 30 내지 70%의 범위 내에서 충진되어 종래의 폭기조에 비해 그크기를 상대적으로 소형화하여도 종래의 폭기조에 비해 월등한 효율을 달성할 수 있다. 또한, 종래의 폭기조에 비하여 슬러지 발생이 감소되므로 운전관리를 보다 효율적으로 수행할 수 있다. 즉, 상기 담체는 좁은 공간에서도 미생물의 증식이 극대화되어 유해 물질을 효율적으로 흡착 및 분해시킬 수 있다.
한편, 상기 미생물 증식 반응조의 배출구에는 상기 미생물 증식 반응조의 폐수에 함유된 상기 유동상 담체가 반응조로부터 이탈하지 않도록 상기 담체의 크기보다 작은 다수의 구멍을 갖는 망 형태의 여과수단이 구비된다.
하기 실시예로 본 고안을 좀더 구체적으로 설명한다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 고안을 예시하는 것이며, 본 고안의 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다.
실시예 1
단기간 운전에 의한 담체의 폐수처리 효율 평가
도 4에 도시된 바와 같이 재질이 폴리에틸렌이고 크기가 8 mm x 12 mm (높이 x 직경)이며, 도 4에서 보는 바와 같은 본 고안의 원통형 담체를 제조하였다. 대조군으로서, 동일한 재질과 크기를 갖는 도 5의 담체 및 Y형 담체(미도시)(내부에 날개 돌기부가 없는 것을 제외하고 본 고안과 동일)를 제조하였다.
이들 각 담체는 대한민국 경기도 이천에 소재하는 한교식품산업사의 당면폐수를 처리하는데 사용하였다. 폐수 처리시스템은 도 10에 도시된 바와 같이 원수저장조, 폭기조, 침전조, 처리수조로 구성되어 있으며 담체는 폭기조에 충진되었다. 처리시스템의 운전 조건은 하기 표 1과 같다.
원수 BOD 평균 300 ppm
원수 유입수량 10ℓ/일
폭기조 BOD 용적부하* 1.5 kg BOD/m3/일
폭기조 용적 20ℓ
담체 충진율 50%
담체 충진양 10ℓ
* 유입수량 (m-3) x 유입수 BOD (g/m-3) / 폭기조 용량 (m-3)
= 100ℓ x 10-3x 300 g/m-3x 103/ 20ℓ x 10-3
처리시스템을 운전하면서 매 10일 간격으로 처리수의 BOD 농도를 측정하고 처리효율을 산정하였으며 이의 결과는 하기 표 2에 기재되어 있다.
운전 기간(일) 도 4의 담체(본 고안) 도 5의 담체 Y형의 담체
BOD 농도(ppm) 처리효율(%) BOD 농도(ppm) 처리효율(%) BOD 농도(ppm) 처리효율(%)
0 300 0 300 0 300 0
10 240 20 255 15 270 10
20 120 60 150 50 180 40
30 60 80 90 70 120 60
40 30 90 45 85 90 70
50 12 96 30 90 42 86
60 6 98 12 96 24 92
70 3 99 7 98 12 96
80 3 99 7 98 12 96
상기 표 2의 결과로부터 본 고안의 담체가 종래 기술의 담체에 비해 처리효율이 우수함을 알 수 있다.
실시예 2
장기간 운전에 의한 담체의 폐수처리 효율 평가
상대적으로 처리효율이 낮은 Y형 담체(대조군)를 이용한 폐수 처리 시스템의 운전은 중단하였고, 실시예 1에서 제조된 본 고안에 따른 도 4의 담체와 종래 기술로서 도 5의 담체를 이용한 폐수 처리 시스템은 1년 이상 계속 운전하면서 BOD 농도와 처리효율을 측정 및 산출하였다. 그 결과 운전 약 8개월 즈음에 도 5의 담체는 도 8의 사진에서 보는 바와 같이 미생물 층의 비대화에 의한 담체의 폐쇄 현상이 발생하면서 처리효율이 급격히 떨어져 새로운 담체로 교체해야만 했다. 반면에, 본 고안에 따른 도 4의 담체는 도 7의 사진에서 보는 바와 같이 담체에 미생물 막이 형성되어 있으나 막힘이 없이 적절한 내부 공간을 유지하여 1년 이상을 사용하여도 일정하게 고도의 처리효율을 유지하였다.
따라서, 본 고안에 따른 구조를 갖는 생물막 유동상 담체는 고도의 폐수처리 효율을 장기간 유지하는 효과를 제공한다.
상기에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 참조로 하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안등록청구범위에 기재된 본 고안의 취지 및 범위로부터 일탈함이 없이 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 원통의 종방향으로 외주면에 요철형 외부돌기부가 형성되고, 원통 내부에는 Y형의 3등분 격벽이 형성되며, 0.92 내지 0.96 g/cm3범위의 밀도를 갖고, 8 내지 10 mm의 높이 및 외주면을 기준으로 10 내지 12 mm의 직경을 갖는 원통형의 수질정화용 생물막 유동상 담체에 있어서, 상기 Y형 격벽의 각 중앙 지점에서 격벽에 대하여 적당한 길이의 내부돌기가 40° 내지 60°의 각도로 형성되어 날개 모양을 이루고 있음을 특징으로 하는 담체.
  2. 제1항에 있어서, 내부 돌기부의 길이가 2 내지 3 mm임을 특징으로 하는 담체.
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