KR200445535Y1

KR200445535Y1 - 수질정화용 생물막 유동상 담체

Info

Publication number: KR200445535Y1
Application number: KR2020080016953U
Authority: KR
Inventors: 박성용
Original assignee: 주식회사 이시엘
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2009-08-11

Abstract

처리 효율 및 유동성이 개선된 수질정화용 생물막 유동상 담체가 개시된다. 본 고안에 따른 수질정화용 생물막 유동상 담체는 원통 형상의 외통과, 외통의 내부에 직경이 서로 다르게 마련되는 복수의 내통과, 외통의 외주에 소정 간격으로 나선운동 방향으로 돌출 마련되는 복수의 돌기부를 포함하고 있기 때문에 이물질에 의한 담체의 폐쇄를 최소화함과 동시에 유동성을 극대화시켜 고도의 폐수처리 효율을 장기간 유지하는 효과를 제공한다.

Description

수질정화용 생물막 유동상 담체{Carrier for Water Purification}

본 고안은 수질정화용 생물막 유동상 담체에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 하수처리 시스템의 미생물 반응조에 투입 사용됨으로써 처리 효율, 생산 단가, 수명 등을 개선하는 수질정화용 생물막 유동상 담체에 관한 것이다.

수질오염에 대한 환경적 문제로 인하여 미생물을 이용하는 생물학적 하수(폐수, 오수 포함) 처리 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.

폐수 정화에 사용되는 생물학적 폐수처리 방법은 크게 호기성 폐수처리 방식과 혐기성 폐수처리 방식이 있다. 호기성 방식과 혐기성 방식 간에는 차이가 있는데, 호기성 공정에서는 미생물이 산소를 요하는 반면에, 혐기성 공정에 사는 미생 물은 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.

통상적으로 널리 사용되고 있는 폐수처리 방법으로서 활성 슬러지법은 처리 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 살수여상법은 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 같 은 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.

상술한 기존의 폐수처리 방식의 단점들을 개선하기 위하여, 통상의 폐수처리에는 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 가라 앉거나 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 도 1에 도시한 바와 같이 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(1)가 기술되어 있다. 이 미국특허의 담체는 수질정화용 생물막 유동상 담체가 갖춰야 할 상기 요건을 충족하는 듯하다. 그러나, 본 발명자가 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.

한편, 대한민국 실용등록 제20-0273124호에는 도 2에 도시한 바와 같이 짧은 원통형으로 외주면에는 톱니형의 요철형 돌기부가 구비되어 있고 내부에는 Y자형 지지막이 형성되어 있는 생물막 유동상 담체(2)가 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. 이에, 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 상술한 종래기술로부터 착안한 것으로서, 본 고안의 목적은 처리 효율 및 유동성이 개선된 수질정화용 생물막 유동상 담체를 제공하는데 있다.

특히, 본 고안자들은 상술한 종래기술에 개시된 수질정화용 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 폐수 속에서 유동하는데에도 영향을 미쳐 결국에는 폐수 처리 효율을 실질적으로 결정하는 주요 요소임을 발견하였다. 본 고안에 따른 수질정화용 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.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 수질정화용 생물막 유동상 담체 는 원통 형상의 외통과, 외통의 내부에 직경이 서로 다르게 마련되는 복수의 내통과, 외통의 외주에 소정 간격으로 나선운동 방향으로 돌출 마련되는 복수의 돌기부를 포함한다.

또한 본 고안에 따른 수질정화용 생물막 유동상 담체의 상기 복수의 돌기부는 외통의 유동이 용이하도록 한 방향으로 마련된다.

또한 본 고안에 따른 수질정화용 생물막 유동상 담체의 상기 내통은 제1내통과 제2내통을 포함하고, 상기 제1내통과 제2내통은 외통의 동일 지점에 마련된다.

또한 본 고안에 따른 수질정화용 생물막 유동상 담체의 상기 제1,2내통은 나선운동 방향으로 연장되는 제1,2연장부를 각각 구비하되, 상기 제1,2연장부는 제1,2내통과 외통과 연장부가 형성하는 공간을 등분하도록 마련된다.

따라서, 본 고안에 따른 구조를 갖는 수질정화용 생물막 유동상 담체는 고도의 폐수처리 효율을 장기간 유지하는 효과를 제공한다.

이하에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 참조로 설명하지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안등록청구범위에 기재된 본 고안의 취지 및 범위로부터 일탈함이 없이 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 고안의 생물막 유동상 담체(Moving Snail-Form Carrier;MSC)를 좀더 상세하게 설명한다.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 생물막 유동상 담체를 도시한 사 시도이며, 도 4는 측면도이다.

도면을 참조하면, 본 고안의 유동상 담체(10)는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등과 같이 일반적으로 입수가 용이하고 가격이 저렴한 통상의 합성수지 재질로 제조된다.

담체(10)는 직경이 약 15mm 정도이고, 폭은 약 10mm를 갖으며, 두께가 약 1mm인 원통 형상을 갖는다.

담체(10)는 외통(11)과, 복수의 내통(12,13)을 갖는다. 본 실시예에서 내통은 직경이 서로 다르게 마련되는 원통 형상의 제1,2내통(12,13)을 포함하며, 각각 외통(11)의 내측 동일 지점에 고정된다.

담체(10)의 내부에 표면적을 늘리기 위해 마련되는 제1,2내통을 원통 형상으로 마련하게 되면, 이물질에 의한 폐쇄를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 원통을 형성하는 곡선에 의해 담체(10)의 유동이 활발해지는 장점이 있다.

외통(11)은 원주에 소정 간격으로 돌출 마련되는 복수의 돌기부(14)를 구비하며, 돌기부(14)는 나선운동 방향으로 돌출 마련된다. 물리에서 '나선운동'이란 하나의 축 둘레를 일정한 속도로 회전하면서 축 방향으로 나아가는 운동을 뜻하며, 여기서 '나선운동 방향'이란 외통으로부터 원호 형상으로 뻗어나가는 돌기부를 뜻한다.

본 고안자들의 실험에 의하면 장기간 사용하여도 담체의 외주면에는 미생물 막이 기대했던 것보다 훨씬 낮은 정도로 형성되며(거의 형성되지 않는 경우가 많았음) 처리효율에 미치는 영향은 고려할 필요가 없을 정도로 극히 미미한 것으로 밝 혀졌다.

하지만, 담체 외통(11)에 형성되는 돌기부(14)는 담체간의 충돌에 의해 파손되는 것을 방지하는 완충 작용을 할 뿐만 아니라, 담체의 유동을 크게 하는 효과가 있다. 도 4에 화살표로 도시된 바와 같이, 본 실시예에의 돌기부(14)는 공기저항(F1)은 크고 물의 저항(F2)은 작기 때문에 담체의 유동성이 현저하게 확대된다.

제1내통(12)과, 제2내통(13)은 각각 원주의 일 지점(P1,P2)에서 나선운동 방향으로 연장하는 제1,2연장부(15,16)를 구비한다. 원주의 일 지점(P1,P2)이란, 예를 들어 제1내통(12)의 경우, 일 지점(P1)은 제1내통(12)의 외주와 제2내통(13)의 내주가 형성하는 공간 면적(Ⅴ)과, 제2내통(13)의 외주와 외통(11)의 내주가 형성하는 공간 면적(Ⅳ)을 제1연장부(15)가 대략 등분할 수 있는 지점을 말한다.

마찬가지로, 제2내통(13)의 경우, 일 지점(P2)은 제1내통(12)의 외주와 제1연장부(15)와 제2내통(13)의 내주가 형성하는 공간 면적(Ⅲ)과, 제2내통(13)의 외주와 외통(11)의 내주와 제1연장부(15)와 제2연장부(16)가 형성하는 공간 면적(Ⅱ)을 제2연장부(16)가 등분할 수 있는 지점을 말한다.

이와 같이 담체(10)의 내부에 형성되는 공간을 최대한 등분하게 되면, 이물질에 의한 담체의 폐쇄를 최소화할 수 있다.

[표 1] 표면적 계산

No.	길이×폭 (m)	면적(m2)
1	0.04334×0.01	0.0004334
2	0.03024×0.01	0.0003024
3	0.02895×0.01	0.0002895
4	0.02404×0.01	0.0002404
5	0.02187×0.01	0.0002187
6	0.01445×0.01	0.0001445
합계		0.0016289

표 1에서 No는 도 4에 도시한 공간 번호를 뜻한다. 표에 나타난 바와 같이 제1연장부(15)에 의해 구분되는 공간 4와 5는 각각 0.0002404와 0.0002187로 유사한 면적을 가지며, 제2연장부(16)에 의해 구분되는 공간 2와 3은 각각 0.0003024와 0.0002895로 유사한 면적을 가짐을 알 수 있다.

이와 같이 담체 내부에 형성되는 제1,2내통(12,13)과 제1,2연장부(15,16)은 미생물이 부착 성장하여 생물막을 형성하는 표면적을 넓히는 한편 굽이진 부분을 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.

또한, 담체의 내부 공간은 폭기장치로 인한 산소 또는 공기의 공급시 발생하는 난류가 잘 흐를 수 있도록 직선보다는 곡선으로 구획되어 있기 때문에 담체 내부가 폐쇄되지 않을 정도로 충분한 공간을 확보 및 장기간 사용할 수 있다는 이점이 있다.

이러한 구조를 취하고 있는 본 실시예에 따른 생물막 유동상 담체는 폐수처리 장치의 미생물 반응조에 투입되어 사용될 때, 미생물 반응조 바닥에 설치된 폭기 장치로부터 폭기되는 공기에 의해 담체가 반응조 안의 물을 따라 순환 시 돌기부(14)가 서로 맞물려 회전하면서, 미생물 반응조의 상하로 고르게 순환하여 물에 포함된 유기물의 생물학적 분해를 효율적으로 수행한다.

또한, 본 실시예의 유동상 담체는 서로 맞물려 유동을 촉진하여 미생물의 증식을 극대화시켜 유해물질을 보다 효율적으로 처리하며, 미생물 증식 반응조 체적의 30 내지 70%의 범위 내에서 충진되어 종래의 폭기조에 비해 그 크기를 상대적으로 소형화하여도 종래의 폭기조에 비해 월등한 효율을 달성할 수 있다. 또한, 종래의 폭기조에 비하여 슬러지 발생이 감소되므로 운전관리를 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

한편, 미생물 증식 반응조의 배출구에는 폐수에 함유된 유동상 담체가 반응조로부터 이탈하지 않도록 담체의 크기보다 작은 다수의 구멍을 갖는 망 형태의 여과수단이 구비된다.

실시예

하루에 아래 조건으로 하수처리를 해야한다면,

유량 : 2000 m³/일

유입BOD : 200mg/l

처리수BOD : 10mg/l

폭기조 BOD 용적 부하 : 1kg.BOD/m³

담채 BOD 면적 부하 : 4g/m²

처리해야할 BOD 부하량은

유량×(유입 BOD - 처리수 BOD)

= 2000 m³/일 × (200mg/l - 10mg/l )

= 380000 g/일

= 380 kg/일

이다.

상기 BOD 부하량을 처리하는데 필요한 담체량을 비교해보면 아래 표 2와 같다.

[표 2] 담체 필요량 비교

즉, 폭기조 용량이 동일하다면, 담체 면적이 상대적으로 큰 본 실시예의 담체 필요량이 작아지며, 이는 폭기조에 채워야하는 담체 충진율을 감소시키게 되고, 또한 그 결과로 담체의 유동성을 확대시켜 유해물질의 분해를 촉진하게 된다.

도 1은 종래 일 실시예의 수질정화용 생물막 유동상 담체를 도시한 도면이다.

도 2는 종래 다른 실시예의 수질정화용 생물막 유동상 담체를 도시한 도면이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질정화용 생물막 유동상 담체를 도시한 사시도와 평면도이다.

*도면의 주요 참조부호에 대한 간단한 설명*

1,2,10..담체 11..외통

12,13..제1,2내통 14..돌기부

15,16..제1,2연장부 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ..공간 면적

Claims

원통 형상의 외통과,

상기 외통의 내부에 직경이 서로 다르게 마련되는 복수의 내통과,

상기 외통의 외주에 소정 간격으로 나선운동 방향으로 돌출 마련되는 복수의 돌기부를 포함하되,

상기 내통은 제1내통과 제2내통으로 이루어지고,

상기 제1내통과 제2내통은 외통의 동일 지점에 마련되는 것을 특징으로 하는 수질정화용 생물막 유동상 담체.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 돌기부는 외통의 유동이 용이하도록 한 방향으로 마련되는 것을 특징으로 하는 수질정화용 생물막 유동상 담체.
제 1항에 있어서,

상기 제1,2내통은 나선운동 방향으로 연장되는 제1,2연장부를 각각 구비하되,

상기 제1,2연장부는 제1,2내통과 외통과 연장부가 형성하는 공간을 등분하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 수질정화용 생물막 유동상 담체.
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