KR20040072775A - 분리막 결합형 질소 및 인 제거 겸용 생물학적 하ㆍ폐수처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수 및 폐수 내에 다량 함유된 질소 및 인을 생물학적으로 제거하는 장치와 이를 이용한 효율적 하ㆍ폐수 처리방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 후탈질조(1), 호기조(2), 전탈질조(3)로 처리공정을 구성하고, 다량의 미생물 확보를 위하여 호기조(2) 내에 분리막(4)을 설치하였다.

상기, 호기조(2)에서는 유기물 분해와 동시에 질산화가 진행되며, 처리수는 호기조(2) 내의 분리막(4)을 통하여 외부로 배출되고 질산화가 완료된 후에는 전탈질조(3)로 이송하여 탈기와 함께 1차 탈질이 수행되며, 이후 탈질효율을 향상시키기 위하여 후탈질조(1)로 이송하여 잔류 질산화물에 대하여 2차 탈질이 이루어지도록 한다.

이때, 질산화물의 탈질효율 향상을 위하여 탈질조건이 양호한 후탈질조(1)에 70％를 유입시키며, 호기조(2)로부터 이송된 유리산소에 의해 탈질조건이 불량한 전탈질조(3)에는 30％를 유입시킨 것을 특징으로 한다.

Description

분리막 결합형 질소 및 인 제거 겸용 생물학적 하ㆍ폐수 처리 장치 및 방법{Sewage and wastewater processing unit and method which remove nitrogen and phosphorus by membrane bio-reactor}

본 발명은 하수 및 폐수 내에 다량 함유된 질소 및 인을 생물학적으로 제거하는 장치와 이를 이용한 효율적 하ㆍ폐수 처리방법에 관한 것이다.

최근 들어 생활수준의 향상과 함께 가속화된 산업화로 인하여 하천수질이 크게 악화되고 있으며, 이에 따른 수자원 고갈 현상이 점차 사회적 문제로 대두되고 있어서 이에 대한 근본적인 해결책 제시가 시급한 실정이다. 이는 하천 주변에 위치한 점오염원에 대한 제어가 어렵고 이미 유출된 오염물질에 대한 처리기술도 선진국 수준에 미치지 못할 뿐만 아니라 전문기술 인력의 부족으로 인하여 기존의 처리장도 제 기능을 충분히 발휘하지 못하기 때문이다.

한편, 산업체 및 대학연구소에서는 이러한 오염물질 제거를 위한 다양한 처리기술 개발 및 선진국으로부터의 기술이전에 주력하고 있으나, 성공적으로 현장에 적용된 처리기술은 거의 없는 실정이다.

이는 국내실정에 대한 인식부족과 처리공정의 복잡성 및 적용된 처리공정을 충분히 이해하고 운전할 수 있는 전문인력의 부족현상에 기인한다고 할 수 있다.

특히, 최근 들어 국내 환경분야에 있어서 주요 현안으로 대두되고 있는 질소 및 인은 적절하게 처리되지 않고 하천에 방류될 경우 하천의 부영양화 및 근해에서 적조현상을 초래하기 때문에 이를 제거하기 위한 공정개발이 활발히 진행되고 있지만 효율적 측면에서 그 기능을 제대로 발휘하지 못하고 있는 실정이다. 뿐만 아니라 질소 및 인을 효과적으로 제거하기 위해서는 체류시간이 길어지기 때문에 이를 충족시키기 위해서는 넓은 시설부지를 필요로 하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 후탈질조, 호기조, 전탈질조로 처리공정을 구성하고, 다량의 미생물 확보를 위하여 호기조 내에 분리막을 설치하였다.

상기, 호기조에서는 유기물 분해와 동시에 질산화가 진행되며, 처리수는 호기조 내의 분리막을 통하여 외부로 배출되고 질산화가 완료된 후에는 전탈질조로 이송하여 탈기와 함께 1차 탈질이 수행되며, 이후 탈질효율을 향상시키기 위하여 후탈질조로 이송하여 잔류 질산화물에 대하여 2차 탈질이 이루어지도록 한다.

이때, 질산화물의 탈질효율 향상을 위하여 탈질조건이 양호한 후탈질조에 70％를 유입시키며, 호기조로부터 이송된 유리산소에 의해 탈질조건이 불량한 전탈질조에는 30％를 유입시킨다.

또한, 생물학적 처리방법으로 질소와 인을 동시에 제거하기 위해서는 처리공정의 유지관리가 어려울 뿐만 아니라 처리효율도 저조하기 때문에 본 발명에서는 생물학적 처리방법으로 질소를 완전히 제거하고, 이 과정에서 제거되지 않은 인 성분은 호기조 내에 응집제를 소량 투입하여 질소와 인을 동시에 제거할 수 있도록 하였다.

특히, 호기조 내에 분리막을 설치하여 방류수 내의 유기물 및 고형물 농도를 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 질소 제거 및 인 제거 미생물이 외부로 유실되지 않도록 함으로써 질소 및 인 제거율을 크게 향상시켰으며, 협소한 공간에서도 설치가 가능하여 유지관리가 용이하고 전문인력이 부족한 국내 실정에 적합한 공정을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 생물학적 하ㆍ폐수 처리장치의 개략적인 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 후탈질조 (2) : 호기조

(3) : 전탈질조 (4) : 분리막

(5) : 유입관 (6) : 처리수관

(7) : 내부반송관 (8) : 잉여슬러지 배출관

(9) : 공기블로워 (10) : 공기 공급관

(11) : 산기관 (12) : 화학약품 저장조

(13) : 화학약품 유입관 (14) : 가변형 교반기

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 호기조(2)에서 질산화가 완료된 질산화물의 탈질을 전탈질조(3)와 후탈질조(1)로 구분하여 각 반응조의 역할을 극대화시킬 수 있도록 하였으며 특히, 분리막(4) 공정의 경우 분리막(4)의 막힘현상 방지를 위하여 타 공정에 비하여 산기관(11)을 통한 공기공급량이 많아서 호기조(2) 내의 용존산소 농도가 높기 때문에 질산화물이 탈질조로 이송된 후에 원활한 탈질이 이루어지지 못하게 되는 이유로 탈질조를 전탈질조(3)와 후탈질조(1)로 구분하여 전탈질조(3)에서는 탈기와 함께 용존산소에 적응성이 강한 탈질 미생물에 의해 탈질이 진행되며, 후탈질조(1)에서는 전탈질조(3)에서 탈기가 완료되어 용존산소가 거의 없는 상태에서 잔류 질산화물의 탈질이 원활히 진행되도록 하였다.

상기, 호기조(2) 내부에는 세공 크기가 0.1 ∼ 0.4㎛인 분리막(4)을 설치하여 미생물의 외부유실을 최소화시킴으로써 미생물 농도를 타 공정의 2 ∼ 3배인 6,000 ∼ 10,000㎎/ℓ로 유지되도록 하여 유기물 제거율 및 질산화율을 극대화시킬 수 있도록 하고 또한, 미생물은 외부로의 유실없이 전탈질조(3)로 이송되어호기조(2)와 마찬가지로 6,000 ∼ 10,000㎎/ℓ의 고농도로 유지되며, 신속한 탈기와 동시에 질산화물의 탈질도 진행될 수 있도록 하였다.

그러나, 전탈질조(3)에서의 탈질은 잔류 용존산소에 의한 저해작용으로 인하여 효율적인 탈질은 기대하기 어려워서 처리공정 전단부에 후탈질조(1)를 설치하여 전탈질조(3)에서 탈기 및 1차 탈질이 완료된 전탈질물을 내부반송관(7)을 통해 후탈질조(1)로 반송하여 잔류 질산화물에 대하여 효율적인 탈질이 수행될 수 있도록 하였다.

상기, 후탈질조(1)에서의 미생물의 농도는 전탈질조(3)로부터 내부반송된 미생물과 유입수가 혼합되어 호기조(2)나 전탈질조(3)에서 보다는 다소 낮은 4,000 ∼ 8,000㎎/ℓ 정도에서 유지되는 반면, 용존산소가 거의 없고, 탈질에 필요한 충분한 유기물이 공급되기 때문에 전탈질조(3) 보다는 질산화물의 탈질이 효율적으로 진행된다.

또한, 탈질을 위해서는 유기탄소원이 요구되는데, 이를 위해서 유입 유기물을 전탈질조(3)와 후탈질조(1)로 나누어 공급할 수 있도록 하였다.

상기, 전탈질조(3)에서의 탈질량이 저조하기 때문에 전체 유입량중 30％ 정도만을 전탈질조(3)로 공급하고 또한, 전탈질조(3) 및 후탈질조(1)에서의 미생물과 유기물의 원활한 접촉을 위하여 기계적인 방법에 의한 연속교반이 이루어지도록 하며, 외부의 공기가 탈질조로 유입되는 것을 방지하기 위하여 과도한 교반은 피하도록 한다.

상기, 후탈질조(1)에서 탈질이 완료된 후에는 호기조(2)로 이송하여 유기물분해와 함께 질산화를 진행시키고 질산화율의 향상을 위해서는 충분한 양의 공기공급과 동시에 고농도의 미생물확보가 필수적이다. 이를 위해서는 호기조(2) 내부에 설치한 분리막(4)은 고액분리 기능과 함께 안정적인 유기물 제거와 효율적인 질산화를 가능하게 한다. 일반적으로 생물학적 방법에 의한 인 제거원리는 혐기성 조건에서 미생물 내부에 축적된 인을 체외로 방출하며, 호기성 조건에서는 이론적으로 방출된 양의 최대 8배까지 과잉 섭취가 가능하기 때문에 인을 과잉 섭취한 상태의 잉여슬러지를 주기적으로 인발함으로써 인을 제거할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 유기물 제거효율 향상과 함께 질산화 및 탈질률 향상을 통한 질소 제거효율 향상을 위하여 미생물의 제거량은 최소화되어야 하는데, 이 때문에 타 공정에 비해 인 제거효율은 다소 저조한 편이다. 이러한 이유로 인해서 생물학적 처리과정에서 제거되지 못한 인을 보다 효율적으로 제거하기 위한 방법으로 호기조(2)에 약품저장조(12)에 내장된 인 제거용 응집제를 약품유입관(13)을 통해 연속적으로 투입할 경우 잔류 인의 제거는 매우 효과적이며 호기조(2) 내 슬러지의 침전성이 향상되어 분리막(4)의 폐쇄현상도 방지할 수 있다. 이때 응집된 인 성분은 혐기성 상태에서도 용출되지 않아서 비교적 안정적인 인의 제거가 가능하게 되므로 본 발명은 생물학적 처리와 화학적 처리를 잘 조화시킴으로써 유기물 및 질소·인 제거효율을 극대화시킬 수 있는 방법으로 이러한 시스템을 패키지화하여 운전의 용이성을 확보할 수 있는 하·폐수 처리 장치 및 방법을 제공함에 의해 달성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 의한 분리막 결합형 질소 및 인 제거 겸용 생물학적 하·폐수 처리 및 장치의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

외형적으로 다수개의 장방형 반응조로 설치하여 미생물의 운전상태에 따라 호기조(2), 전탈질조(3) 및 후탈질조(1)로 구성하되, 용적비율은 각각 60％, 15％, 25％로 구분한다.

상기, 호기조(2)는 전체부피의 50 ∼ 70％로 하며, 내부에는 세공 크기가 0.1 ∼ 0.4㎛인 분리막(4)을 설치하였고, 처리수는 분리막(4)을 통하여 처리수배관(6)을 거쳐 외부로 배출시키게 된다.

상기, 분리막(4)으로부터 30㎝ 하부에는 분리막(4)의 폐쇄현상을 방지하기 위한 공기공급용 산기관(11)을 설치하였으며, 운전은 일정시간 가동 후 정지시키되, 이러한 운전이 연속적으로 반복되도록 한다.

또한, 상기 분리막(4)이 설치되지 않은 타 공간의 하부에도 공기공급관(10)을 통해 공기공급을 위한 공기블로워(9)를 설치하여 일반적인 하수처리의 경우와 같게 하였으나, 분리막(4) 하부의 공기공급량은 일반적인 경우 보다 65 ∼ 100％ 정도 많은 단점이 있다.

1차 탈질을 위한 전탈질조(3)는 전체부피의 10 ∼ 20％ 정도가 되게 하였고, 내부에는 미생물과 질산화물의 원활한 접촉을 위하여 모터(M)에 의해 작동되는 가변형 교반기(14)를 설치하고 외부의 공기유입을 차단하여 적절한 혼합이 이루어질 수 있도록 한다.

상기, 전탈질조(3)에서는 질산화물의 20 ∼ 30％ 정도가 탈질이 이루어지며,2차 탈질을 위하여 전탈질조(3) 하부를 통하여 후탈질조(1)로 유입수의 10 ∼ 50％ 정도를 내부 반송시킨다. 이때 인 성분을 과잉 섭취한 미생물을 펌프(P)를 통해 내부 반송관(7)을 이용하여 주기적으로 인발 처리한다.

상기, 후탈질조(1)는 전체부피의 20 ∼ 30％ 정도로써 전탈질조(3)에서 용존산소를 거의 모두 소모하였기 때문에 후탈질조(1)에서는 빠른 속도로 탈질이 진행될 수 있도록 하였다. 이러한 탈질을 위해서 전탈질조(3)에서와 마찬가지로 모터(M)에 의해 작동되는 가변형 교반기(14)를 설치하여 적절한 교반이 이루어지도록 하였다.

상기, 후탈질조(1)에서는 용존산소와 질산화물이 거의 없기 때문에 인 제거 미생물에 의해 흡수된 인 성분 중에서 일부는 미생물의 체외로 방출되게 된다.

이러한 방출된 인 성분중 일부는 세포내 인 함유량의 한계에 도달하여 더이상 호기조(2)에서 인을 섭취하지 않기 때문에 약품저장조(12)에 함유된 적당량의 응집제를 약품유입관(13)을 통해 호기조(2)에 투입하여 잔류 인 성분을 보다 효율적으로 제거할 수 있도록 하였다.

따라서, 생물학적 처리공정에서 안정적으로 유기물과 질소를 제거하고, 제거되지 않고 남은 인 성분은 응집제를 이용하여 제거함으로써 안정적으로 유기물과 질소·인을 제거할 수 있도록 하였다.

첨부된 도면중 (5)는 펌프(P)를 통해 유입물을 후탈질조(1) 및 전탈질조(3)로 유입시키게 되는 유입관이고, (8)은 잉여슬러지 배출관이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 처리장치를 이용하여 하ㆍ폐수를 처리할 경우 유입 하ㆍ폐수내에 함유된 유기물질 및 질소ㆍ인을 90％ 이상 제거할 수 있는 공정으로, 처리공정을 안정적으로 유지할 수 있고 특히, 호기조내에 고ㆍ액 분리용 분리막을 설치함으로써 전탈질조 및 후탈질조에서도 고농도의 미생물을 확보할 수 있으며, 방류수를 통한 미생물 또는 고형물의 유실을 원천적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전탈질조 및 후탈질조를 구분하여 설치함으로써 질소 제거효율을 극대화시켰으며, 호기조내에 소량의 응집제를 첨가함으로써 인 제거효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 유기성 하ㆍ폐수를 생물학적으로 처리하는 장치에 있어서, 유기물질과 질소ㆍ인을 동시에 효과적으로 제거하기 위하여 호기조(2)내에 고ㆍ액 분리용 분리막(4)을 설치하고 그 전후에 후탈질조(1) 및 전탈질조(3)로 구성한 것을 특징으로 하는 분리막 결합형 질소 및 인 제거 겸용 생물학적 하ㆍ폐수 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   탈질효율의 향상을 위하여 처리공정 후단에 전탈질조(3)를 설치하고 처리공정 전단에 후탈질조(1)를 설치하여 유입수를 전탈질조(3)에 30％ 공급하며, 후탈질조(1)에 70％를 공급하게 되는 것을 특징으로 하는 분리막 결합형 질소 및 인 제거 겸용 생물학적 하ㆍ폐수 처리 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   잔류 인 성분의 효과적인 제거를 위하여 호기조(2)에 소량의 응집제를 첨가하게 되는 것을 특징으로 하는 분리막 결합형 질소 및 인 제거 겸용 생물학적 하ㆍ폐수 처리 방법.