KR20070002382A

KR20070002382A - 그래뉼 회수시스템

Info

Publication number: KR20070002382A
Application number: KR20050057889A
Authority: KR
Inventors: 이상조; 이주식
Original assignee: 삼성석유화학(주)
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-05

Abstract

폐수 특히 테레프탈산 폐수처리시 UASB 혐기성 반응조의 상부 유출수로부터 유실되는 그래뉼을 분리 회수하여 혐기성 반응기내로 재유입함으로써 유기물 처리효율을 증대시키는 그래뉼 회수 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 그래뉼 회수 시스템에 있어서, 처리수가 유입되는 혐기성 반응조; 상기 혐기성 반응조의 상부로부터 유출되는 유출수를 저장하기 위한 유출수조; 및 상기 유출수조에서 배출되는 유출수로부터 그래뉼(granule)을 분리하기 위한 그래뉼 분리기를 포함하고, 상기 그래뉼 분리기에서 분리된 그래뉼 성분을 상기 혐기성 반응조로 재투입하는 것을 특징으로 한다.

고체성분, 테레프탈산, 분리장치, 사이클론, 중력침강기, 재생

Description

그래뉼 회수시스템{GRANULE RECOVERY SYSTEM}

도 1은 내부순환용 UASB 반응조를 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 그래뉼 회수장치 및 시스템을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1 : 혐기성 공급조 2 : 그래뉼 저장조

3 : 혐기성 반응조 4 : 유출수조

5 : 그래뉼 분리기 6 : 사이클론 하부유출수 배관

7 : 폐수재생용 배관

8 : 그래뉼 저장조(2)와 혐기성 반응조(3)의 연결 배관

9 : 폭기조

본 발명은, 테레프탈산 폐수처리시 UASB 혐기성 반응조의 상부 유출수로부터 유실되는 그래뉼을 분리 회수하여 혐기성 반응기내로 재유입함으로써 유기물 처리효율을 증대시키는 그래뉼(입자상슬러지) 회수 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 중합체 제조용(polymer grade) 테레프탈산(Terephthalic Acid : TA)은 폴리에스테르 섬유, 폴리에스테르 필름 및 기타 용기용 수지에 대한 주된 중합체인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)용 출발물질이다. 폴리에스테르 섬유는 섬유제품은 물론 타이어 코드와 같은 산업용으로도 사용된다. 접착제 및 유제로 코팅된 폴리에스테르 필름은 랩 테이프(wrapping tape), 사진용 필름, 기록용 테이프 등으로 유용하다.

이러한 중합체 제조용 테레프탈산은 상업적으로 통상 초산 용매 하에서 촉매를 사용하여 파라자일렌을 공기 중의 산소와 반응시키는 산화공정으로 제조된다. 이때 사용되는 촉매로는 코발트, 망간 및 브롬 등이 사용된다. 그러나 이 경우에 제조된 테레프탈산은 순도가 낮은 미정제 테레프탈산(Crude Terephthalic Acid : CTA)으로, 고농도의 4-카르복시벤즈알데히드 등 다량의 유기불순물을 함유하고 있어 폴리에스테르 필름 및 섬유의 제조에 직접 사용하기에는 적당하지 못하다.

따라서 상기 미정제 테레프탈산을 정제한 테레프탈산(Purified Terephthalic Acid : PTA)을 사용하여야 하며, 상업적으로 실시되고 있는 정제 방법으로는 일반적으로 수소화 정제 방법과 산화 방법이 알려져 있다.

한편, 이러한 테레프탈산 정제 및 제조공정에서 발생되는 폐수는, 공정에서 미회수된 테레프탈산 고형성분을 포함하여 초산, 메틸 아세테이트, 파라자일렌 등의 유기화합물을 비롯하여 코발트, 망간, 크롬, 철, 브롬 등의 각종 금속성분을 포함하고 있어, 현재 이 폐수를 고도처리하여 정화시킨 후 방류하고 있다.

이러한 고도 처리 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 대부분이 호기성 미생물을 이용하는 활성 오니법(호기성 처리방법)이나 혐기성 미생물법(혐기성 처리방법) 을 이용하는 것으로 나눌 수 있다. 그중에서 혐기성 처리 방법은 호기성 처리 방법에 비해 고농도의 폐수처리에 용이하고 운전 비용이 저렴할 뿐만 아니라 폐수처리 과정 중에서 발생하는 바이오 개스를 연료로 재활용할 수 있어 에너지 절약 측면에서도 아주 효율적인 방법으로 알려져 있다.

혐기성 처리방법은 외부와의 공기접촉이 차단된 반응조에서 혐기성 미생물을 이용하여 폐수중의 유기물을 각종 가스(CH₄, CO₂, H₂S)로 분해하는 방법이다. 혐기성 처리방법은 고농도폐수를 처리하는데 적합한 것으로 알려져 있다. 최근 혐기성 처리의 효율을 향상시킬 수 있는 고율 혐기성 반응조의 대표적인 예는 AF(Anaerobic Filter)와 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)이다. AF는 반응조 내에 미생물을 부착시킬 수 있는 담체를 충진하여 미생물을 고농도로 유지하는 방법이고, UASB는 담체를 이용하지 않고 입상화(그래뉼화)된 미생물을 이용하여 미생물을 고농도로 유지하는 방법이다.

특히, 이러한 혐기성 처리를 위한 반응조 중의 한가지 형태인 상향류 혐기성 슬러지상법(Upflow Anaerobic Sludge Blancket : 이하, 'UASB'라 함)을 이용한 혐기성 폐수처리 기술은, 활성의 높은 메탄(Methan) 생성균 등의 혐기성 미생물군 자신의 응축 집괴화 기능을 이용하고 침강성이 우수한 입자상태의 입상슬러지 또는 그래뉼(granule)을 형성시키는 것에 의해 미생물을 고농도로 유지하고 우수한 처리효율을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 이러한 UASB 반응조는 효율이 높고 투자비가 저렴한 장점을 가지고 있어, PTA 폐수 뿐만 아니라 식품 및 맥주회사에서 널리 사 용되고 있다.

한편, UASB 형태의 혐기성 반응조 중에서도 내부순환류(Internal Circulation)를 이용하는 내부순환 반응조는 그 내부를 2단 구조로 설계하여 하부 1단에서 높은 혼합을 통해 반응조 효율을 향상시킨 것으로 반응조 크기가 적어 초기 비용이 적게 소요되고, 반응조내 폐수와 그래뉼의 혼합 증대로 인하여 유기물 처리효율이 높은 장점이 있어 현재 널리 사용되고 있다.

현재 UASB 반응기 같은 상향류 혐기성 반응기들은 실규모 플랜트로 운영되고 있으며, 이때 운전의 용이성 및 높은 처리효율을 위해 입상슬러지의 생성이 필수적이다. 슬러지입상화의 목적은 미생물을 입상화시켜 상향류 흐름에서도 슬러지의 유출을 최소화시키고, 폐수의 기질에 잘 적응된 미생물을 응집시켜 폐수의 처리효율을 높이는데 있다. 입상슬러지는 미생물이 응집하여 구형으로 입상화된 것으로서, 유기물을 분해하기 위해 층구조로 이루어져 있으며 각 층에는 가수분해균, 산생성균, 메탄균등이 다른 밀도로 존재하고 있는데 이들은 입상슬러지가 높은 유기물 분해 작용을 할 수 있도록 유기적으로 작용하고 배열되었다.

이러한 내부순환용 UASB 반응조에 대하여 도 1에 도시하였다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, UASB 반응조는 일반적으로 본체(a)와 이 본체 하부에 유기성 폐수를 도입하는 도입부(b)와, 본체(a) 내의 저부에 형성되는 슬러지 베드(sludge bed)인 반응부와, 상기 본체 내의 상부에 형성되는 고액분리장치로 구성된다.

즉, 우선 조정조(미도시) 등으로 예비발효처리가 가해진 폐수는, 도입부(b)로부터 수 미터 높이의 반응조 본체의 바닥부로 유입된 뒤 평균입도 약 2~3mm의 그 래뉼(granule)이 모여있는 슬러지 베드 내를 상향류로 통과할 때, 폐수 중에 포함된 유기물이 이 그래뉼의 작용에 따라 메탄 등의 바이오가스 등으로 고속 분해된다. 그 후 이 슬러지 베드를 통과한 처리수는 새롭게 도입된 폐수에 따라서 그대로 반응조 본체(a) 내를 상승한 뒤 고액분리장치에 이르고 여기에서 결국 처리수/바이오가스/그래뉼이라는 3상 분리가 이루어진다. 여기서 처리수는 반응조 본체(a) 내의 상부로부터 오버플로우(overflow)하고, 바이오가스는 바이오가스관(c)으로부터 회수되고, 그래뉼은 그대로 반응조 본체(a) 내를 침강하고 다시 한번 슬러지 베드 상으로 되돌려져서 지속적으로 유입되는 처리수 중의 유기물을 분해시키는 작용을 하게 된다.

그러나, 이러한 UASB 반응조에서 사용되는 그래뉼은 상술한 바와 같이 고액분리장치에 의하여 처리수로부터 분리되고 그 대부분이 장시간에 걸쳐 유기물의 분해처리에 사용되게 되지만, 원수인 폐수의 성분에 의하여, 또는 바이스가스의 발생량이 증대하고 고액분리장치의 성능이 저하되는 경우, 일부의 그래뉼이 이러한 고액분리장치에 의하여 완벽하게 분리되지 못하고 그대로 처리수와 함께 반응조의 본체 외부로 유출되는 문제점이 발생하였다. 이러한 그래뉼의 외부 유출량이 많아질수록 반응조 본체 내의 그래뉼 양이 부족하고 분해 처리능력이 대폭적으로 저하될 뿐만 아니라, 결국 처리수의 수질 또한 악화시켜 버리는 문제점이 있다.

특히, 이러한 그래뉼 유출현상은 내부순환용 유동을 만들게 될 경우에 더욱 심각한 문제로 대두되고 있으며, 내부순환유동형태의 UASB 혐기성 반응조를 PTA 폐수처리 공정에 적용하였을 경우 내부의 그래뉼이 지속적으로 반응조 상부로부터 유 실되기 때문에 처리효율을 유지하기 위해서는 주기적으로 유실되는 그래뉼을 보충해주어야 문제점이 나타나고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 폐수 특히 테레프탈산 폐수처리시 UASB 혐기성 반응조의 상부 유출수로부터 유실되는 그래뉼을 분리 회수하여 혐기성 반응기내로 재유입함으로써 유기물 처리효율을 증대시키는 그래뉼 회수 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 그래뉼 회수 시스템에 있어서, 처리수가 유입되는 혐기성 반응조; 상기 혐기성 반응조의 상부로부터 유출되는 유출수를 저장하기 위한 유출수조; 및 상기 유출수조에서 배출되는 유출수로부터 그래뉼(granule)을 분리하기 위한 그래뉼 분리기를 포함하고, 상기 그래뉼 분리기에서 분리된 그래뉼 성분을 상기 혐기성 반응조로 재투입하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 처리수는 테레프탈산 제조 공정으로부터 배출되는 폐수인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혐기성 반응조는, 내부순환유동식 상향류 혐기성 슬러지상(UASB)법을 이용하는 반응조인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그래뉼 분리기는, 원심력을 이용하는 사이클론(cyclone) 장치인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그래뉼 분리기는, 중력을 이용하는 중력침강(settler) 장치인 것 을 특징으로 한다.

한편, 상기 사이클론 장치는, 상기 그래뉼 분리기에서 분리된 그래뉼 성분을 포함하는 유출수를 배출하는 하부 노즐; 상기 그래뉼 분리기에서 분리된 그래뉼 성분을 제외한 유출수를 배출하는 상부 노즐; 및 상기 하부 및 상부 노즐로부터 배출되는 유출수의 압력을 제어하기 위한 압력조절장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 하부 및 상부 노즐로부터 배출되는 유출수의 압력은 1 내지 4 kg/cm²g의 범위내에 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 의한 그래뉼 회수장치 및 시스템을 나타낸다.

본 시스템은, 처리수를 공급하기 위한 혐기성 공급조(1)와, 상기 공급조(1)로부터 혐기성 반응조(3)에 처리수를 공급하는 처리수 도입부(미도시)와, 상기 처리수가 유입되는 혐기성 반응조(3)와, 상기 혐기성 반응조(3)의 상부로부터 유출되는 유출수를 저장하기 위한 유출수조(4), 및 상기 유출수조(4)에서 배출되는 유출수로부터 그래뉼(granule)을 분리하기 위한 그래뉼 분리기(5)를 포함한다.

여기서, 상기 처리수가 테레프탈산 제조 공정으로부터 배출되는 폐수일 경우, 이러한 테레프탈산 정제 및 제조공정에서 발생되는 폐수는, 공정에서 미회수된 테레프탈산 고형성분을 포함하여 초산, 메틸 아세테이트, 파라자일렌 등의 유기화 합물을 비롯하여 코발트, 망간, 크롬, 철, 브롬 등의 각종 금속성분을 포함하고 있다.

한편, 본 발명에 의한 혐기성 반응조로서는, 내부순환유동식 상향류 혐기성 슬러지상(UASB)법을 이용하는 반응조가 이용된다.

상기 UASB 반응조는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 본체(a)와 이 본체 하부에 유기성 폐수를 도입하는 도입부(b)와, 본체(a) 내의 저부에 형성되는 슬러지 베드(sludge bed)인 반응부와, 상기 본체 내의 상부에 형성되는 고액분리장치로 구성된다.

즉, 우선 조정조(미도시) 등으로 예비발효처리가 가해진 폐수는, 도입부(b)로부터 수 미터 높이의 반응조 본체의 바닥부로 유입된 뒤 평균입도 약 2~3mm의 그래뉼(granule)이 모여있는 슬러지 베드 내를 상향류로 통과할 때, 폐수 중에 포함된 유기물이 이 그래뉼의 작용에 따라 메탄 등의 바이오가스 등으로 고속 분해된다. 그 후 이 슬러지 베드를 통과한 처리수는 새롭게 도입된 폐수에 따라서 그대로 반응조 본체(a) 내를 상승한 뒤 고액분리장치에 이르고 여기에서 결국 처리수/바이오가스/그래뉼이라는 3상 분리가 이루어진다. 여기서 처리수는 반응조 본체(a) 내의 상부로부터 오버플로우(overflow)하고, 바이오가스는 바이오가스관(c)으로부터 회수되고, 그래뉼은 그대로 반응조 본체(a) 내를 침강하고 다시 한번 슬러지 베드 상으로 되돌려져서 지속적으로 유입되는 처리수 중의 유기물을 분해시키는 작용을 하게 된다.

그러나, 이러한 UASB 반응조에서 사용되는 그래뉼은 상술한 바와 같이 고액 분리장치에 의하여 처리수로부터 분리되고 그 대부분이 장시간에 걸쳐 유기물의 분해처리에 사용되게 되지만, 원수인 폐수의 성분에 의하여, 또는 바이스가스의 발생량이 증대하고 고액분리장치의 성능이 저하되는 경우, 특히, 내부순환유동형태의 UASB 혐기성 반응조를 PTA 폐수처리 공정에 적용하였을 경우 내부의 그래뉼이 지속적으로 반응조 상부로부터 유실되게 된다.

그 조성에 있어서, 혐기성 반응기 상부로부터의 유출수는 일반적으로, 99% 이상이 물(water)이며 TA 등 일부 유기물 성분이 1000 내지 2000 ppm wt. 정도 존재하고 나머지 그래뉼이 100 내지 10,000 ppm wt. 고체로 석출되어 존재한다. 회수 대상인 그래뉼은 혐기성 반응조 내부 운전 상황에 따라 발생량과 성상이 다르게 나타난다.

상기 혐기성 반응조(3)의 상부로부터 유출되는 유출수를 저장하기 위한 유출수조(4)가 마련되어 있으며, 이러한 상기 유출수조(4)에서 배출되는 유출수는 펌프를 통하여 그래뉼(granule)을 분리하기 위한 그래뉼 분리기(5)로 공급된다.

그래뉼 분리를 위한 분리장치(5)로서는 원심력을 이용한 공지의 사이클론(Cyclone) 형태의 분리장치를 사용할 수도 있고, 중력을 이용한 공지의 중력침강(Settler) 형태의 분리장치를 사용할 수도 있다.

그래뉼의 비중이 물과 비교하여 차이가 많이 발생하면 사이클론 형태의 분리장치가 운전성, 분리효율 및 투자비 측면에서 고려할 때 우수하며, 그래뉼의 비중이 물과 비교하여 차이가 크지 않을 때는 장시간 체류시간을 필요로 하는 중력침강 형태의 분리장치가 분리효율 측면에서 우수하다.

먼저, 본 발명에 사용되는 사이클론 장치는 일반적인 공지의 사이클론 장치와 동일한 구성을 지닌 장치로서, 유출수를 공급하기 위한 공급노즐(Feed Nozzle)과, 상부 및 하부의 유출 노즐이 각각 설치되어 있으며, 이러한 3개의 노즐은 도 2에 도시된 바와 같이 모두 유체 이송을 위해 배관으로 연결되어 있다. 상부 및 하부 노즐에 연결된 배관에는 압력을 지시하는 압력계와 압력조절 밸브가 각각 설치되어 있어 각 유출수의 압력을 조절할 수 있는 장치가 구비되어 있으며, 상부 및 하부 유출수의 압력차이를 측정하여 이러한 압력차이를 조절할 수 있는 자동 조절 장치도 포함되어 있다.

한편, 압력계는 압력조절 밸브의 전단에 위치하여 압력을 측정하고, 압력 조절 밸브는 상부 및 하부 압력을 1~4 kg/cm²G 의 범위에서 조절가능하도록 설계되는 것이 바람직하다.

이러한 사이클론에서 분리된 그래뉼은 사이클론의 하부 노즐로 유출되어 이송배관을 통해서 UASB 혐기성 반응조로 재유입될 수 있도록 설계되어 있다. 재유입되는 방법은 혐기성 반응조 폐수 재생용 배관(7)상에 사이클론 하부 유출수 배관(6)을 연결하여 이송할 수 있고, 또한 그래뉼 저장조(2)에서 혐기성 반응조(3)로 급송되는 배관(8)에 연결하여 이송할 수 있게 설치되어 있다.

한편, 사이클론의 상부노즐을 통하여 배출되는 폐수는, 활성오니법의 주요 설비로, 공기흡입식·기계교반식·양자병용식 등이 가능한 폭기조(9)로 유입된다. 이러한 폭기조(9)의 유효용적은 처리하는 배수의 수질과 수량 및 조작조건에 따라 정할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 기술적 사상인 UASB 혐기성 반응기 유출수 중에 포함된 고체성분인 그래뉼과 액체 성분인 폐수를 분리하기 위한 설비에 대한 구체적인 실시예를 살펴본다.

먼저 혐기성 유출수를 펌프로 4~6 kg/cm²G의 압력으로 이송하여 사이클론 형태의 분리장치로 이송한다. 사이클론 모양은 상부는 원통형으로 되어 있고 하부는 콘(cone) 형태로 구성되어 있으며 그 각각의 길이비는 약 50:50 정도인 것이 바람직하다. 분리장치의 구성요소로는 먼저 펌프에서 이송된 유출수가 사이클론 장치 내부로 급송되면서 회전하여 원심력을 얻을 수 있는 공급노즐(Feed nozzle)이 상부 원통형에 접선 방향으로 부착되어 있으며, 상부와 하부에 각각 배출노즐이 1개씩 있어 사이클론 내부에서 분리된 그래뉼은 하부 노즐로, 폐수는 상부 노즐로 유출 가능하도록 되어 있다.

또한 공급노즐에 의한 유출수의 급송 중 그래뉼 조성 및 성상의 변화에 따른 분리효율을 높게 유지하기 위하여 사이클론 상하부 노즐의 후단에는 압력조절 밸브가 설치되어 있어 사이클론 내부 상하부 압력차를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

이러한 본 실시예에 의할 경우, 혐기성 반응기 유출수는 질량기준으로 약 5~20%의 그래뉼을 포함하고 있으며, 사이클론을 거쳐 분리되어 하부로 유출되는 유출수에는 약 50~70%의 그래뉼이 포함되어 있으며, 또한 상부로 유출되는 폐수는 약 1~10%의 그래뉼을 포함한 상태로 분리되므로, 결국, 폐수 특히 테레프탈산 폐수처리시 UASB 혐기성 반응조의 상부 유출수로부터 유실되는 그래뉼을 분리 회수하여 혐기성 반응기내로 재유입함으로써 유기물 처리효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 폐수 특히 테레프탈산 폐수처리시 UASB 혐기성 반응조의 상부 유출수로부터 유실되는 그래뉼을 분리 회수하여 혐기성 반응기내로 재유입함으로써 유기물 처리효율을 증대시킬 수 있는 효과를 창출한다.

Claims

처리수가 유입되는 혐기성 반응조;

상기 혐기성 반응조의 상부로부터 유출되는 유출수를 저장하기 위한 유출수조; 및

상기 유출수조에서 배출되는 유출수로부터 그래뉼(granule)을 분리하기 위한 그래뉼 분리기를 포함하고,

상기 그래뉼 분리기에서 분리된 그래뉼 성분을 상기 혐기성 반응조로 재투입하는 것을 특징으로 하는 그래뉼 회수 시스템.
제1항에 있어서,

상기 처리수는 테레프탈산 제조 공정으로부터 배출되는 폐수인 것을 특징으로 하는 그래뉼 회수 시스템.
제1항에 있어서,

상기 혐기성 반응조는, 내부순환유동식 상향류 혐기성 슬러지상(UASB)법을 이용하는 반응조인 것을 특징으로 하는 그래뉼 회수 시스템.
제1항에 있어서,

상기 그래뉼 분리기는, 원심력을 이용하는 사이클론(cyclone) 장치인 것을 특징으로 하는 그래뉼 회수 시스템.
제1항에 있어서,

상기 그래뉼 분리기는, 중력을 이용하는 중력침강(settler) 장치인 것을 특징으로 하는 그래뉼 회수 시스템.
제4항에 있어서, 상기 사이클론 장치는,

상기 그래뉼 분리기에서 분리된 그래뉼 성분을 포함하는 유출수를 배출하는 하부 노즐;

상기 그래뉼 분리기에서 분리된 그래뉼 성분을 제외한 유출수를 배출하는 상부 노즐; 및

상기 하부 및 상부 노즐로부터 배출되는 유출수의 압력을 제어하기 위한 압력조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래뉼 회수 시스템.
제6항에 있어서,

상기 하부 및 상부 노즐로부터 배출되는 유출수의 압력은 1 내지 4 kg/cm²g의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 그래뉼 회수 시스템.