KR20060019643A - 유기물 처리를 위한 고율 혐기성 소화조의 개선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1970년대 이후 다양한 오폐수 처리에 적용되고 있는 고효율 혐기성 소화조인 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응조 상부에 유동상 담체 층을 설치함으로써 UASB 반응조 내부의 미생물 보유량을 증가시키고, 유동상 담체층은 유동상 담체 상부에 설치하는 GSS(Gas Solid Seperator)와 함께 이중으로 기체/액체/고체의 삼상 분리를 원활히 수행함으로써 유기물 제거효율의 극대화로 안정적인 폐수처리가 가능하도록 하였다. 상기 구성에 의하면, 기존 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응조의 슬러지 유실, 장기간 시운전 시간 소요의 문제점을 해결하고, 고정상 담체를 사용하는 기존 AF(Anaerobic Filter) 및 Hybrid 반응조에서 발생하는 담체의 폐쇄에 의한 처리 효율 감소 문제를 해결할 뿐만 아니라 전술한 기존 반응조들에 비해 높은 용적부하(단위부피당 유기물 부하, kgCODcr/m³/day)와 단위 체적당 유기물 제거량을 증가시키고, 유기물 처리효율도 향상시키는 것이 가능하다

개선 고율 혐기성 소화조, 유동상 담체

Description

유기물 처리를 위한 고율 혐기성 소화조의 개선{Improvement of high rate anaerobic digestor to treat organic materials}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 사용되는 반응조(UABS+유동상 담체)

고율 혐기성 소화조인 UASB 반응조는 1970년대에 네덜란드의 Gutze Lettinga에 의해 고안되어 다양한 고농도 오·폐수를 적용하여 성공적인 운전 결과를 얻었다. UASB 반응조는 크게 폐수를 반응조 전면에 균등하게 분배할 수 있는 폐수 분배 장치와 발생된 바이오가스(Biogas)를 액체(엄밀하게는 혐기성 소화조 처리수)/고체(엄밀하게는 미생물)와 분리할 수 있는 GSS(Gas Solid Seperator)가 있다. 여러 연구자들에 의해 분배장치 및 GSS 장치가 현재에도 지속적으로 개선·보완되고 있으며 실제 처리 시설에 적용되고 있다. UASB 반응조의 가장 큰 특징은 혐기성 미생물 스스로가 응집되어 구상(球狀)의 슬러지를 형성하는 것으로 분상상 또는 플럭 상태의 미생물과 구분하여 그래뉼(Granule) 슬러지라 통칭하고 있다. 그러나 그래뉼 슬러지를 반응조 내부에서 미생물 자체 입상화 현상을 유도하여 형성시키는데는 많은 어려움이 있으며 또한 폐수의 종류에 따라서는 입상화 자체가 불가능한 것도 있다. 전술한 UASB 발명자인 Gutze Lettinga도 슬러지 입상화가 불가능한 폐수가 있음을 인지하고 플럭상태의 미생물로도 UASB 반응조 운전이 가능하다고 말하고 있다. 그러나 플럭상태의 미생물은 입상 슬러지 형성 전단의 슬러지 형태로, 입상슬러지에 비해 침강상태가 불량하고 충격부하시, 다량의 바이오가스 발생시 가스 상승속도에 의해 소화조 상부로 상승하여 처리수로 유실되는 결과를 초래하기도 한다. 또한 일반적으로 UASB 반응조는 폐수와 반응조 하부의 슬러지 층과 충분히 접촉할 수 있는 시간을 주고 슬러지의 유실을 막기 위해 폐수의 상승 속도(Upflow Linear velocity)를 시간당 0.5~1.5m로 운전한다. 그러나 UASB 반응조 내부에 그래뉼 슬러지가 아닌 플럭상태의 미생물이 주종을 이루는 조건에서는 상승속도를 0.5m/h로 운전할 경우에도 부상에 의한 슬러지 손실을 막을 수는 없다. 이러한 이유로 여러 연구자들은 UASB 반응조 내부에 고정상 담체를 넣어 담체에 미생물이 부착하도록 함으로써 슬러지 유실을 막고자 하였다. 이러한 반응조의 한가지가 AF(Anaerobic Filter)로 시운전 초기 담체에 미생물이 신속하게 부착되어 비교적 안정적인 운전이 가능하다. 그러나 시간이 경과함에 따라 고정상 담체에 과량의 미생물이 부착되어 실제 운전 체적이 감소하는 결과를 초래하며, 이에 미생물과 폐수의 충분한 접촉시간 확보가 어렵게되고, 급격히 처리 효율이 감소하는 원인이 되고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 UASB 상부의 일부만 고정상 담체를 충진하는 개선된 AF 시스템(일명, Hybrid system)이 제안되었으나 운전 기간이 장기간 경과하면서 기존 AF시스템과 동일하게 담체의 공극이 막혀 종국에는 급격한 처리효율 감소를 초래하였다. 따라서 본 발명에서는 미생물에 의한 담체 공극 막힘 현상을 방지하기 위해 유동상 담체를 설치하였다. 유동상 담체는 고정상 담체와 달리 비중이 가벼워 수면에 부유하는 성질을 가지고 있다. 이러한 담체에 미생물이 부착하면 가라앉고, 가라앉은 담체에 바이오가스가 붙게되면 상승하는 과정을 반복하게됨으로써 미생물 과부착으로 인한 담체 공극의 폐쇄 현상을 막을 수 있게 되었다. 또한 형성된 미생물 층에 의해 기체/액체/고체의 삼상 분리가 원활히 수행됨으로 혐기성 소화조 폐수의 상승 속도를 1.5m/hr 이상 증가시키는 경우에도 슬러지 담체층에서 와류를 형성시켜 상승류의 속도를 감소시키는 결과를 가져와 미생물 손실을 현격히 감소시킴으로써 효과를 얻을 수 있다

본 발명은 상기 종래의 기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로 그 목적은 기존의 UASB 반응조와 AF반응조를 개선함으로써 각 반응조의 단점을 보완하고 장점을 최대화함으로써 유기물 처리 효율을 극대화시켜 전체 폐수처리 공정의 안정적인 운전을 도모함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기존 UASB 반응조 전면에 폐수를 고르게 분산시키는 폐수 분배 장치, 발생된 바이오가스와 미생물 및 처리수를 분리하기 위한 삼상 분리장치(GSS, Gas Solid Seperator)를 포함하며 상부에 유동상 담체를 충진하되 상부와 하부에 철망을 설치하고 철망 사이에 유동상 담체를 충진하는 형태를 가진다.

이하, 본 발명과 관련 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1(100)은 본 발명에 따른 개선된 고율 혐기성 소화조의 상세 그림으로 반응조는 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, AF, UASB 또는 이들을 혼합한 반응조와 이들 반응조의 개량된 형태 중에서 어떠한 반응조를 사용하더라도 무방하지만, 바람직하게는 종래 UASB 반응조에 유동상 담체를 결합시킨 혼합형 반응조가 바람직하다.

본 발명의 실시예에 사용되고 있는 반응조는 도 1(100)에 제시하였으며, 반응조는 폐수처리 과정에서 발생하는 바이오가스를 배출하는 가스배출구(110); 혐기성 반응조에서 처리된 폐수가 유출되는 처리수 유출구(120); 처리수 중의 기체인 바이오가스와 액체인 처리수, 고체인 미생물의 분리가 원활히 수행되기 위한 GSS(Gas Solid Seperator)인 삼상분리장치(130, 131, 132); 부유성 유동상 담체의 유실을 막기위한 격자망(140, 141); 미생물 부착 및 1차 삼상 분리 역할을 수행하는 유동상 담체(150); 폐수를 반응조 전면에 균일하게 분배하기 위한 폐수 분배 장치(160)를 포함한다. P1과 P2는 폐수를 유입, 순환시키기 위한 펌프이다.

또한, 본 발명의 반응조(도 1) 상단에 충전된 유동상 담체(150)는 상향류속을 감소시키는 동시에 약간의 와류를 형성하므로, 전형적인 UASB의 기체-액체-고체 분리 장치보다 상승하는 미생물을 효과적으로 분리, 침전시킬 수 있다.

본 발명인 반응조(도 1)는 하부 슬러지 블랭킷 층의 미생물들이 환경변화에 의해 충격을 받게 되더라도 유동상 담체에 의해 슬러지 유실이 방지되므로 다량의 미생물을 보류하는 것이 가능하여 기존의 UASB보다 안정성 면에서 우수하다.

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.

[실시예]

종래의 UASB 반응조와 본 발명에 따른 개선된 UASB를 적용한 실제 현장의 운전값을 시운전 기간과 시운전 이후 정상운전을 6개월간 수행한 이후의 운전값을 아래에 기술하였다.

기존 UASB 형태의 반응조와 본 발명에 의해 고안된 개선 고율 혐기성 소화조의 식종(Seeding)에 사용한 미생물은 하수 종말 처리장 혐기성 소화조 미생물로 분산 상태 또는 플럭 상태였다. 기존 UASB와 개선된 UASB 반응조 유입 원수는 동일하며 두 반응조 운전의 차이점은 소화조 투입 물량이다. 즉, 기존 UASB 반응조 형태로 시공한 고율 혐기성 소화조의 투입 물량은 40~50톤/시간으로 폐수의 상승 속도는 0.4~0.5m/hr로 운전되었다. 반면 본 발명에 의해 고안된 개선 고율 혐기성 소화조는 투입 물량을 70~75 톤/시간으로 폐수의 상승 속도는 0.7~0.75m/hr로 기존 UASB보다 50~75% 이상 투입 물량을 증가시킬 수 있었다. 시운전 시작 후 약 한달 동안의 기존 UASB 반응조와 개선 UASB 반응조 투입 물량의 변화를 그림 1에 도시하였다. 그림 2는 기존 UASB 반응조와 개선 UASB 반응조 유입수와 처리수의 CODcr 농도 변화를 제시한 것으로 개선 UASB 반응조의 CODcr 농도가 기존 UASB 반응조의 CODcr 농도와 비교할 때 유사한 것을 알 수 있으나, 전술한 투입 물량과 처리수의 CODcr 농도의 차이로부터 판단해볼 때 단위 반응조 체적당 처리 가능한 유기물 물량이 기존 UASB 반응조보다 개선 UASB 반응조가 약 50~70% 이상 많다는 것을 유추해 볼 수 있는 수치이다. 또한 처리수중의 미생물 유실 정도를 판단하기 위해 처리수중의 슬러지 부피(SV:Sludge Volume)를 측정한 SV30의 경우, 개선 UASB 반응조가 기존 UASB 반응조에 비해 폐수의 상승 속도가 50~75% 높아도 SV30 값은 낮게 나타나 유동상 담체에 의해 미생물 유실이 감소되었음을 보여주고 있다. 시운전 기간동안 기존 UASB와 개선 UASB 반응조의 SV30을 그림 3에 도시하였다.

표 1은 시운전 이후 반응조 운전을 완료하고 혐기성 소화조 운전이 안정화된 이후 약 6개월이 경과된 시점의 운전값을 요약해 보여주고 있다. 기존 UASB 반응조는 시운전 종료 후 6개월의 시간이 경과하였음에도 불구하고 여전히 투입물량을 55톤/시간으로 운전되고 있는 반면 개선 UASB는 시운전시 유입물량에 비해 5톤/일이 증가한 80톤/시간으로 운전되고 있다. 또한 개선 UASB는 기존 UASB CODcr 농도가 에 비해 낮아, 많은 유기물량을 처리함에도 불구하고 개선 UASB 반응조의 유기물 처리 효율이 우수한 것을 알 수 있다. 이는 고율 혐기성 소화조 용적 부하의 차이에서도 나타나는데 기존 UASB는 단위 반응조 부피당 4.2kg의 유기물을 제거하는 반면 개선 UASB는 6.1kg의 유기물을 제거해 단위부피당 유기물 제거량도 약 30% 이상 높은 것으로 나타났다. 또한 정상 운전 후 장시간이 지났음에도 불구하고 담체의 미생물 부착에 의한 처리효율 감소는 관찰되지 않았다.

그림 1

그림2

그림 3

표 1

	기존 UASB			개선 UASB
	유량	CODcr	COD부하	유량	CODcr	COD부하
(단위)	(㎥/hr)	(㎎/ℓ)	(kg/㎥.d)	(㎥/hr)	(㎎/ℓ)	(kg/㎥.d)
평균	55	1,180	4.2	80	776	6.1

그림 4

본 발명에 의하면 기존 UASB 반응조와 AF 반응조의 단점을 개선·보완하고 장점을 극대화함으로써 전체 폐수처리 공정의 안정적인 운전을 도모할 수 있다.

Claims (2)

1. 기존 UASB와 AF 시스템 또는 혼합형 혐기성 소화조 상부에 유동상 담체를 설치하여 슬러지 부착 및 유실을 최소화하는 혐기성 소화조
2. 제1항에 있어서 담체에 의해 1차로 기체-액체-고체의 삼상을 분리하고 담체 상부에 기존 UASB 시스템의 GSS(Gas-Solid Seperator)에 의해 2차로 기체-액체-고체를 분리하는 이중의 분리 시스템을 갖는 혐기성 소화조

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