KR20080088108A

KR20080088108A - 비중이 조절된 담체를 사용한 혐기/무산소 반응조, 이를 이용한 폐수처리장치 및 폐수처리방법

Info

Publication number: KR20080088108A
Application number: KR20070030531A
Authority: KR
Inventors: 정종식
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-02
Also published as: KR100862184B1

Abstract

본 발명은 생물학적 혐기/무산소 반응조, 이를 이용한 폐수처리장치 및 폐수처리방법에 관한 것으로, 반응조 내에 유입 폐수의 분배를 위한 액체 분배관, 유입 공기 또는 무산소가스의 산기관, 가스와 담체를 배출되는 처리수로부터 분리하기 위한 처리수 분리기를 내장하고, 비중이 0.95이상 1.0 미만으로 조절된 담체를 반응조에 투입함으로써, 반응조 내로 가스가 주입되면 담체는 반응조 내에서 유동화하고 가스 공급이 중단되면 수 표면 아래 자가 부상된 고정층으로 존재하는 원리를 이용하여 고정상 또는 유동상의 반응조를 운전하는 방법을 제시한다. 또한 상기 고정상 또는 유동상 반응조에 폐수 원수에 더하여 반응조 내 BOD 농도 보다 더 낮은 후단 처리수를 2배 이상 과량으로 혼입시켜 반응조 내 독성 성분의 농도를 낮추고 담체 표면에 부착된 미생물막의 년령을 낮추어 제거효율을 극대화하는 획기적인 혐기조 및 무산소조 설계 및 운전 방법을 제시한다.

생물학적 반응조, 혐기조, 무산소조, 유동상 반응조, 고정층 반응조

Description

비중이 조절된 담체를 사용한 혐기/무산소 반응조, 이를 이용한 폐수처리장치 및 폐수처리방법{Anaerobic or anoxic reactor employing density-controlled medias, apparatus and method for treating wastewater using the same}

도 1은 본 발명에 따른 혐기/무산소 반응조를 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명의 처리수 분리기의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 반응조 탱크 2 : 수 표면층

3 : 담체층 4 : 액체 분배관

5 : 가스 산기관 6 : 처리수 분리기(GLM 분리기)

7 : 담체 차단관 8 : 가스 차단판

9 : 슬러지 층 10 : 혐기가스 배출구

11 : 처리수 배출구 12 : 폐수 원수 유입

13 : 처리수 유출 15 : 혐기가스 재순환

16 : 공기 유입 17 : 후단 처리수 반송

18 : 가스 블로어 19 : 혐기가스 유입 밸브

20 : 공기 유입용 밸브 21 : 타임머

본 발명은 혐기/무산소 반응조, 이를 이용한 폐수처리장치 및 폐수처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 산기관을 통해 가스를 주입하거나 가스를 차단함에 따라 담체층이 유동층 또는 고정층 상태로 조절되어 폐수를 처리할 수 있는 비중이 조절된 담체를 사용한 혐기/무산소 반응조, 이를 이용한 폐수처리장치 및 폐수처리방법에 관한 것이다.

생물학적 혐기 반응조는 동력비가 적게 뿐만 아니라 난분해성 폐수를 산발효(adidification)에 의해 생분해성으로 바꾸고, 유기성 질소를 암모니아화(ammonification) 반응에 의해 무기 암모니아로 전환시키며, 메탄화(methnogenesis) 반응 등을 통해 COD를 낮추게 되고, 자체 슬러지의 감량화도 많이 일어 나서 호기반응조에 비해 여러 가지 장점이 있으나 호기반응 보다 독성에 약하고 반응속도가 느리다는 단점이 있다.

한편 혐기조에서 무기 암모니아로 전환된 유기성 질소 함유 폐수나 애초에 암모니움 이온을 함유하고 있는 폐수들은 호기조에서 질산성 질소로 질산화된 후 원수 중의 BOD 같은 탄화수소 환원제와의 탈질화 반응을 통해 질소 가스로 환원되어 제거되며 이때 반응조는 혐기반응과 마찬가지로 산소가 없는 무산소 조건에서 일어나게 된다.

이러한 혐기조 또는 무산소조는 반응속도를 증가시키고 슬러지 감량을 달성 하기 위해 반응조 내 슬러지를 축적하여 자체 농도를 올려야 할 필요가 있다. 전형적인 UASB(upflow anaerobic sludge blanket) 반응조에서 보는 것처럼 하부에 슬러지를 자체 중력 침강으로 축적하거나 GLS(gas-liquid-solid) 분리용 장치를 반응조 내부에 장착하여 슬러지를 축적하고 그 슬러지 층 속으로 폐수를 상향류로 통과시키는 고정층 반응조를 선호하게 된다.

그러나 이러한 고정층 반응조는 입구에서의 제거율이 낮아 고농도 고독성 폐수에는 미생물의 활성이 낮아져 운전이 안정화되지 못하는 단점이 있다. 고농도 고독성의 폐수를 안정적으로 처리하기 위해서는 기계적 교반기를 사용하거나 질소가스를 주입하거나 또는 혐기가스를 내부 순환시켜 반응조 내부 농도가 균일하도록 교반하는 혼합형 반응조가 선호되나, 이런 경우 반응조 내 슬러지의 축적을 위해서는 후단의 침전조 등에서 농축된 슬러지를 반응조 내로 반송해야 하는 단점이 있다.

근래에는 혐기조 내 미생물량을 늘려서 반응속도를 증가시키기 위해 고 표면적의 고체 담체(media)를 사용하는 부착성장식 혐기조가 많이 소개되고 있다. 그러나 이러한 유동상 혼합형 반응조의 한 예로는 미국특허(공개번호 2003-0209476) 에서 외부에 장착된 파이프를 통하여 담체를 하부에서 상부로 재순환시키고 상부에 회전하는 원판형의 고형물 분리기를 내장하여 슬러지를 축적하는 복잡한 설계 방법이 소개되어 있다. 고정상 관형 반응조의 예로는 미국특허(공개 번호 2005-0167359)에서 수직으로 배열한 주름판 형태의 담체를 평행으로 나열한 PPR(parallel passage reactor)가 소개되고 있고, 반응조 내 슬러지를 추가로 축적 하기 위해 반응조 하부 슬러지를 상부로 펌프를 이용하여 재 반송하여 미생물 농도를 높여서 운전하는 방법이 소개되어 있다. 가장 보편적인 담체인 pellet 또는 chip형태의 담체를 혐기조 내부에 일정량 충진하여 고정층으로 사용하는 AF(anaerobic filter)형 반응조는 효율은 높으나 시간이 지나면 담체층 내부에 고형물이 축적되어 흐름저항이 생기기 때문 주기적으로 고압의 세척수와 가스(질소 또는 혐기가스)를 사용하여 역세척을 해야 하나 담체 크기가 작아질수록 역세척이 쉽지가 않다. 한국특허(공개번호 2006-0124108)에서는 하부에 많은 수의 밸브를 설치하고 질소를 이용하여 다단계로 생물막을 퍼지(purge)하고 역세척 운전하는 방법이 소개되어 있다. 다른 한국특허(공개번호 2006-0124195)에서는 역세척을 보다 효율적으로 하기 위해 여재층을 상하부 2단으로 나눈 후, 폐수는 상향 및 하량류로 나누어 유입하고, 역세척을 위한 질소는 상향류로 하는 방법이 소개되고 있으나 반응조가 대형일 경우에는 이것 또한 해결책이 되지 못한다.

이상에서 보는 바와 같이 담체를 사용하는 부착성장식 혐기성 반응조는, 담체가 존재 시 유동상 혼합형 반응조로 사용하기가 어렵고 반응조 내 슬러지를 축적하기가 어려운 문제가 있으며, 고정층의 관형 반응조 형태로 사용 시에는 역세척 문제 등이 따르게 되어 운전이 어려운 문제에 직면하게 된다.

또한, 주름판 등을 사용한 관형 반응조는 담체 표면적이 적어서 슬러지를 외부 펌프에 의해 순환해야 하는 번거로움이 따르게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 선택적으로 유동상 또는 고정상으로 운전가능한 폐수처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 선택적으로 유동상 또는 고정상으로 운전가능한 생물학적 혐기성 폐수처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 선택적으로 유동상 또는 고정상으로 폐수를 처리하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 선택적으로 유동상 또는 고정상으로 폐수를 처리하는 생물학적 혐기성 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 혐기소화, 암모니화반응 및 탈질화 반응이 가능한 혐기성 폐수처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고정상으로 운전되는 혐기성 생물학적 폐수처리장치에서 담체를 역세척하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 혐기가스와 처리수 및 담체를 분리하는 신규한 배출수 처리기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 외부 슬러지 순환이 필요 없으면서도 필요에 따라 고정층 관형 반응조 또는 유동상의 혼합형 반응조로서의 변환 운전이 가능하고, 고정층 반응조로 사용할 경우에도 담체층의 역세척이 가능하고, 외부로부터 슬러지 재반송이 필요없고 운전이 간편하여 고농도 고독성의 폐수를 손쉽게 고효율로 처리할 수 있는 혐기/무산소 반응조, 이를 이용한 폐수처리장치 및 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 생물학적 반응조는 반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 담체층이 형성되며, 상기 담체층은 선택적으로 유동화되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 담체는 수면 아래에 잠수된 상태로 부상되는 형태를 가지도록 비중이 물보다 약간 적게 조절된 것이다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 담체의 비중은 반응조에 일정한 두께로 충진되어 고정상태의 담체층을 형성하는 경우에도 수면아래에 잠수 부상형태로 고정될 수 있도록 0.95 이상 1.0 미만의 비중을 가지는 것이 바람직하다. 담체의 비중이 낮을 경우 담체층의 상면이 부력에 의해 수면 위로 노출되어 생물학적 처리능력이 낮아질 수 있으며, 여과재의 비중이 높을 경우 물에 가라앉게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 미생물이 반응조에 충분한 양으로 존재할 수 있도록 반응조 수면에 일정 두께로 충진되어, 물리적인 교반이 없을 경우 고정상의 담체층을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 담체층은 물과 비중이 비슷하여 쉽게 유동화가 가능하여 반응조에 90 부피%까지 충진될 수 있으며, 바람직하게는 슬러지층의 양을 고려하여 반응조에 80 부피%, 더욱 바람직하게는 70 부피%까지 충진될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 담체는 충분한 유동화가 일어날 수 있도록 입자형태로 제공되는 것이 바람직하며, 외표면적이 크게 형성되도록 속이 빈 형태나 외표면에 주름이 잡힌 형태로 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 담체는 다양한 교반장치에 의해 유동화될 수 있으며, 바람직하게는 산기 장치에 의해서 유동화되는 것이 바람직하다. 상기 산기 장치는 혐기조 운용에 지장을 없는 한 다양한 가스를 사용할 수 있다. 발명의 일 실시에 있어서, 상기 산기장치는 상기 생물학적 반응조가 고정상으로 운전시 담체의 역세척을 위해 산기할 경우에는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 산기 장치는 생물학적 반응조가 유동상으로 운전시는 혐기조로 운전될 수 있도록 혐기성 기체를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 산기장치는 담체층과 슬러지층 사이에 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 반응조가 고정상으로 운전시에는 담체층은 역세척시 간헐적으로 유동화되며, 유동상으로 운전시에는 상기 담체층은 반응중 연속적으로 유동화되게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 반응조에는 배출되는 처리수로부터 가스와 담체를 분리하기 위한 분리기가 내장되게 된다. 상기 분리기는 수표면층 아래에 잠기도록 설치되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 일 측면에서, 반응조; 상기 반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 고정상 담체층이 형성되고, 상기 담체층은 선택적으로 유동화될 수 있으며; 산기 장치; 상기 반응조 탱크로 폐수를 유입시켜 분배하기 위한 액체 분배관; 및 상기 담체층을 통과하여 처리된 처리수로부터 가스와 담체를 분리하여 배출하기 위한 처리수 분리기를 포함하며, 산기 장치의 작동에 따라 유동층 또는 고정층으로 운전되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조로 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 처리수 분리기는 수면의 표면층 아래에 잠기게 설치하는 것이 바람직하며, 상기 담체 크기보다 작은 구멍이 다수개 형성된 관형의 담체차단관과, 상기 담체차단관의 하부에 일체로 형성되며 '∧'형상을 가진 가스차단판으로 구성되어, 각각 담체와 가스를 처리수로부터 분리하여 담체차단관 내부로 처리수만을 배출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 산기 장치는 상기 담체층 하부에 설치되어 가스 주입 시 담체를 유동화하기 위해 설치되며, 상기 담체는 잠수 부상이 가능하도록 비중을 0.95 이상 1.0 미만으로 조절하고, 또 산기에 의한 유동화와 상기 처리수 분리기에 형성된 담체차단관에 의해서 분리가 가능하도록 단면부의 길이가 2-50 mm 크기로 되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 액체 분배관은 반응조 탱크의 하부에 설치하여 고정층으로 운전시 유입 폐수가 반응기에 고르게 분산시키면서 슬러지층을 통과해 상향류로 흘러가며 반응이 이루어지도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 반응조 탱크의 상부에는 혐기가스를 배출하기 위한 배출구가 형성되고, 상기 배출구를 통해 배출되는 혐기가스 중 일부를 상기 반응조 탱크 내로 재순환될 수 있도록 블로어가 상기 가스 산기 장치에 연통 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 반응조 탱크에는 제거율을 높일 수 있도록 낮은 BOD 농도를 가지는 물, 예를 들어 후단에서 처리되어 반송되는 BOD 가 낮은 반송수가 유입되어 폐수를 희석하며 처리될 수 있다. 이론적으로 한정된 것은 아니지만, BOD 가 낮은 반송수가 유입될 경우 혐기조 내부 BOD 농도, 미생물 독성 성분의 농도가 낮아지게 되는 반면, 담체에 부착 성장하는 미생물 농도는 유지되면서, 연령이 젊어져 미생물의 비활성이 증가하게 제거율 증가로 이어지게 된다. 본 발명에 있어서, 상기 반송되어 폐수와 함께 처리되는 BOD가 낮은 반송수는 바람직하게는 침전조의 처리 용량이 늘어나지 않도록 침전조 전단에서 반송하여 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 반송수는 충분히 제거율을 높일 수 있도록 유입되는 폐수보다 바람직하게는 2배 이상, 더욱 바람직하게는 5 배 이상 과량으로 유입되는 것이 좋다.

본 발명은 일 측면에서, 선택적으로 유동화될 수 있는 반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 담체층이 형성되는 생물학적 혐기조를 이용하여 고정상 또는 유동상으로 폐수를 처리하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 방법으로 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 혐기조에는 자체 부력에 의해서 반응조 수면에 부상하여 층을 이루는 담체층이 형성된다. 상기 담체층은 물과의 비중차이로 인해 상부에 몰려서 고정상 형태를 유지하는 것이며, 산기 또는 폭기와 같은 물리적인 교반에 의해서 유동상으로 변환될 수 있는 형태로 이루어진다. 산기에 의해서 적절하게 고정상 형태에서 유동상 형태로 바뀔 수 있도록 비중이 0.95 이상 1.0 미만으로 조절되어 수면아래 잠수 부상된 형태인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 유동상 및 고정상으로의 변환 결정은 혐기조에 유입되는 폐수의 농도, 독성 물질의 농도, 처리속도, 혐기가스 생성 여부 등과 같은 다 양한 운전조건에 의해서 결정될 수 있으며, 산기장치의 작동 여부에 의해서 용이하게 운전상태가 변환될 수 있다. 바람직하게는 폐수 농도나 독성이 높을 경우 유동상으로 운전하는 것이 바람직하다.

본 발명은 일 측면에 있어서, 반응조; 상기 반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 비중이 0.95 이상 1.0 이하인 담체층; 상기 담체층을 선택적으로 유동화시키는 산기 장치; 상기 반응조 탱크로 폐수를 유입시켜 분배하기 위한 액체 분배관; 및 상기 담체층을 통과하여 처리된 처리수로부터 가스와 담체를 분리하여 배출하기 위한 처리수 분리기를 포함하는 생물학적 혐기조를 이용하여, 폐수를 선택적으로 고정상 또는 유동상으로 처리하는 생물학적 폐수처리방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 혐기조는 산기 장치를 작동하지 않을 경우, 반응조 수면에 잠수 부상형태로 고정상을 이루는 담체층이 형성되고, 반응조 하단에 슬러지 층이 형성된 상태에서, 상기 반응조 하단에 형성된 액체 분배관으로 폐수가 유입되어 반응조 하단에서 일정하게 분산된 폐수가 슬러지층을 통과하여 상승하게 되며, 고정상 형태의 담체층을 통과하여 배출되게 된다. 시간의 경과에 따라 담체층 내부에 축적되는 고형물은 주기적으로 간헐적으로 공기등을 산기하여 유동화시켜 역세척하여 제거되도록 운전된다.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 혐기조는 산기장치를 연속적으로 작동할 경우, 담체가 반응조 내부에서 지속적으로 유동하는 유동상으로 운전된다. 담체와 함께 슬러지 등이 유동되면서 작동되며, 처리율이 높아지도록 담체의 사용량을 고정상에 비해서 다량 사용하는 것이 좋다. 바람직하게는 담체의 사용량을 반응조 부 피의 70 부피% 이상 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 일 실시에 있어서, 유동상으로 운전되는 혐기반응조는 담체 비중을 보다 물에 가깝게 조절하면 반응기 내 90 부피% 가까이 담체를 충진하여도 완전한 유동화가 가능하며 또한 반응 효율이 좋아, 배출된 슬러지를 농축 후 반응기로 재반송하지 않도록 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일 실시에 있어서, 유동상으로 운전되는 혐기반응조는 담체량을 줄이고 대신 슬러지 량을 늘리고 싶은 경우, 소량의 가스로도 유동화되도록 담체 밀도를 0.99 이상으로 조절하면서, 슬러지가 물보다 무거워 상대적으로 침강이 일어나도록 하여 슬러지를 추가 농축할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 처리효율을 높이면서, 또한 혐기조에서 탈질 반응이 가능하도록 반응조 탱크로 처리된 폐수보다 낮은 BOD 농도를 가지는 물, 예를 들어 침전조에서 반송되는 반송수를 폐수와 함께 유입하여 함께 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 반송수는 침전조 전단에서 반송할 수 있다. 발명의 다른 일 실시에 있어서, 상기 반송수는 혐기반응조 후단에 추가로 연결된 호기조 또는 혐기조의 반응조에서 처리된 유출수를 이용할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1에서 보는 바와 같이, 일정 높이를 가지는 반응조 탱크(1)에 비중이 조절된 담체를 원하는 부피만큼 투입하면 교반이 없는 경우 투입된 담체가 수 표면층(2) 아래 자가 부상된 형태의 담체층(3)을 이루게 된다. 이와 같은 경우, 상기 담체층이 고정층이므로 고정층 반응조로 운전이 가능하고, 공기가 포함되지 않은 혐기 가스를 주입하여 기계적 교반이 이루어지면 담체는 쉽게 유동화되므로 유동층 반응조로 작동하게 된다.

여기서, 상기 담체는 비중을 0.95 이상 1.0 미만으로 조절하여 수 표면층 아래 자가 부상된 형태로 존재하며, 단면부의 길이가 2-50mm 크기로 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 담체층(3)은 반응조를 운전함에 있어서 경우에 따라 탱크 내 2-90부피%를 차지하도록 형성할 수 있다.

이러한 담체는 고 표면적을 내기 위해서는 속이 비어 있는 것이 좋고, 경제적인 생산을 위해서는 값이 싼 고분자 단일 성분 또는 다성분 혼합물 또는 고분자-무기물의 혼합물 등이 바람직하며, 구체적인 예로서는 비중이 물보다 적은 고밀도 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌, 또는 여기에 비중이 물보다 큰 다른 고분자 물질 또는 무기물을 혼합한 재료를 사용하여 압출 또는 사출 성형에 의해 다양한 모양으로 제조가 가능하다. 이러한 형태의 담체를 폐수가 포함된 반응조에 투입하게 되면 담체는 물속에서 반응조 바닥에 가라앉지 않고 물 표면층아래 자가 부상된 형태의 고정층으로 떠 있게 된다. 따라서 일반 고정층처럼 담체층을 위한 screen이나 지지대 등도 필요가 없고, 가스를 주입하면 삽시간에 물과 완벽하게 혼합이 되는 유동층으로 전환된다. 이러한 원리를 이용하여 본 발명에서는 폐수의 종류에 따라 고정층 또는 유동층으로 운전할 수 있는 혐기/무산소조의 설계 및 이 반응조들을 이용한 폐수 처리 방법을 제안하고자 하는 것이다.

본 발명의 반응조에는 다음의 세 가지 주 설비가 내장되는데, 첫째, 하부에 유입 폐수를 골고루 분배하기 위한 액체 분배관(4), 둘째, 유입되는 공기 또는 혐기 가스를 분산하기 위한 가스산기관(5), 그리고 셋째, 처리 후 유출되는 처리수로부터 가스와 담체를 분리하기 위한 처리수 분리기로서, GLM(gas-liquid-media) 분리기(6)(이하, GLM 분리기라 한다)가 그것들이다. 이 세가지 장치는 기본적으로 원형 배관이나 사각 체널에 작은 구멍을 낸 형상을 가지며, 반응조의 구조 및 크기에 따라 직선형, 2차원형, 원형 등 어떤 형태라도 가능하며, 주입 또는 배출되는 기체나 액체를 직경방향으로 골고루 분배 또는 분산할 수 있으면 된다.

상기 GLM 분리기(6)는 처리된 폐수가 배출구로 배출될 때 가스나 담체의 유입을 차단하기 위한 장치로서, 수 표면 아래 일정 위치에 설치되며, 도 2의 단면도에서 보는 바와 같이, 담체가 폐수와 함께 유출되는 것을 차단하기 위한 담체차단관(7)과, 부상하는 가스 방울이 처리수와 함께 배출관으로 유출되는 것을 차단하기 위한 역V자형상, 즉 '∧'형상을 가진 가스차단판(8)으로 구성된다.

또한, 상기 가스 산기관(6)은 담체층을 고정층으로 운전 시에는 담체층 하부에 위치하여 담체층이 고형물로 막혔을 때 역세척용 공기 또는 혐기가스를 주입하기 위한 것이고, 유동상 혼합형 반응조로 운전 시에는 혐기가스를 연속적으로 주입하여 슬러지 및 담체를 유동화시키기 위한 것으로 설치 위치는 반응조 종류, 담체의 유동화 및 슬러지 농축 정도에 따라 반응조 하부로부터 7-70%의 높이에 위치하게 된다.

이와 같은 구성을 가진 반응조는 상기 가스 산기관(6)을 통해 가스를 주입하거나 가스를 차단함에 따라 상기 담체층이 유동층 또는 고정층 상태로 조절되어 폐 수를 처리할 수 있게 되는데, 상기 반응조를 유동층 또는 고정층으로 조절한 각각의 경우, 작동 원리 및 이 반응조를 이용한 폐수 처리 시 운전 원리를 설명하고자 한다.

첫째, 고정층 관형 반응조로 사용 시, 반응조 하부로 유입된 폐수 원수(12)는 액체 분배관(4)을 통과하면서 흐름을 균분화 시킨 후 상향류로 하부 슬러지 층(9)과 상부 담체층(3)을 차례로 통과하면서 제거 반응이 일어나게 된다. 담체층을 통과하는 동안 슬러지는 통과하지 못하고 여과되어 담체층 및 반응조 하부에 축적된다. 반응이 끝난 폐수는 최종적으로 반응조 상부에 설치된 GLM 분리기(6)를 거쳐 처리수 배출구(11)를 통해 밖으로 배출된다. 이때 담체는 담체보다 구멍이 작은 타공관으로 된 담체차단관(7)에서 배출수로부터 분리되고, 가스도 담체차단관 하부에 위치한 가스차단판(4)에 의해 처리수 배출구(11)로 유입되는 것이 차단되고, 상부 가스배출구(10)를 통해 반응조 밖으로 배출된다. 시간이 지나 담체층 내부에 축적된 고형물은 주기적으로 공기만을 사용하여 담체층을 역세척하여 제거한다. 이러한 역세척은 공기 블로어(blower)(18)를 통상 하루 1-6회, 1회당 3-5분 정도 운전하여 담체를 유동화시키면 간단하고 손쉽게 행해진다. 담체층 아래에 축적되는 슬러지층(9)의 부피 조절은 담체 충진량과 가스산기관(5)의 높이를 조절하고 역세척 횟수와 기간을 조절하여 간단하게 해결할 수가 있으나, 만약 슬러지 발생량이 과도하게 많을 경우 상기 방법만으로는 조절이 불가능하다면 반응조 하부에 통상의 슬러지 침전조 형태의 슬러지 드레인(drain) 설비를 추가로 포함시킬 수도 있다.

본 발명에서는 상기 운전 방법에 덧붙여 혐기조의 반응효율을 극대화하기 위 하여 보조적인 운전 방법으로서, 혐기조 유출수보다 BOD 농도가 낮은 후단 처리수, 바람직하게는 최종 방류수를 본 혐기조 전단으로 과량(폐수 원수 유입량의 2배 이상) 재반송하여 제거효율을 추가로 증가시킬 것을 제안한다. 즉 최종 방류수를 원수와 과량 혼합하여 유입하게 되면, 반응조 내로 유입되는 BOD의 부하량은 별 증가가 없으나 유입수의 농도 희석효과에 의하여 반응조 내 독성성분의 농도를 추가로 낮추게 되어 미생물의 비활성이 증가하게 되며, 이는 반응조 제거 효율 증가로 이어진다. 또한 유량증가에 따라 반응조 내 HRT가 감소하게 되는데, 이는 담체에 부착된 생물막의 연령을 낮추어 비활성을 증가시키게 되며 이는 가시적인 제거 효율의 증가로 이어진다.

만약 폐수의 농도가 지극히 높거나 고독성 폐수가 포함되어 있어서 고정층 관형반응조 형태로 운전 시 반응조 내에서 미생물의 고사 문제가 발생할 경우에는 유동상의 완전혼합형 반응조가 유리하다. 이러한 경우는 반응조에 기계적 교반기를 사용하여 교반하여 주면되나, 보다 바람직하게는 혐기조 배출가스를 반응조 내로 24시간 연속적으로 재순환 주입하여 담체를 교반시켜 유동층으로 운전하면 된다. 이러한 유동상 운전의 경우 도 1에서 가스산기관(5)의 위치는 더 낮추어 반응조 하부(7-15% 지점)에 위치시키고 보다 많은 량의 담체를 사용하는 것이 유리하다.

이와 같은 본 발명의 유동상 혐기반응조의 운전 방법을 보다 상세히 설명하고자 한다.

고정층으로 존재하는 담체층을 유동화시키기 위해, 반응조 상부로 배출되는 혐기가스를 밸브(19)와 블로어(18)을 이용하여 반응조 내로 주입한다. 주입된 가스 는 반응조 하부에 위치한 가스산기관(5)을 통하여 상향류로 흐르면서 담체를 교반하여 유동화시킨다. 반응조 하부 액체분배관(4)을 통하여 유입된 폐수 원수는 유동화된 담체와 슬러지에 의해 제거 반응이 일어나고, 처리된 폐수는 GLM 분리기(6)를 통과하며 가스 및 담체와 차례로 분리되어 진 후 처리수 배출구(11)로 배출된다. 혐기가스는 가스차단판(8)에 의해 처리수로부터 분리되어 반응조 상부 가스배출구(14)로 배출되며, 일부는 블로어(18)에 의해 반응조 내로 재순환되며, 잉여 혐기가스(14)는 반응조 밖으로 배출된다.

본 발명의 유동상 혐기반응조는 담체 비중을 보다 물에 가깝게 조절하면 반응조 내 90부피% 가까이 담체를 충진하여도 완전한 유동화가 일어나고 반응효율이 뛰어나서, 배출된 슬러지를 농축 후 반응조로 재반송하여 농도를 인위적으로 올릴 필요가 없다. 하지만 담체량을 줄이고 대신 슬러지 량을 늘리고 싶은 경우, 담체 밀도를 0.99 이상으로 조절하면 아주 적은 량 가스를 주입하여도 담체는 유동화되나 슬러지는 물보다 무거워 상대적으로 침강이 일어나게 되어 비중 차이에 의한 슬러지 추가 농축이 가능하다. 또한 고정층 반응조와 마찬가지로 처리설비 후단 최종 방류수를 본 혐기용 반응조 전단으로 과량(유입 원수의 2배 이상) 재순환하면, 반응조 내 독성성분의 농도도 낮아지고 담체 내 부착된 미생물막의 연령도 낮아져서 지금까지 처리가 불가능하던 경우의 악성 폐수도 생물학적 처리가 가능하다.

이하, 본 발명을 폐수 종류에 따른 구체적인 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이들 실시예는 오직 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이기 때문에, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 않는다 는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서는 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 당연한 일일 것이다.

< 실시예 1> 고농도 질산성 질소를 함유한 폐수 처리

카프로락탐 제조 공정에서 나오는 BOD 7,800 ppm, 질산성질소 2,400 ppm의 폐수를 처리하기 위해 도 1에서처럼 설계된 working volume 100L의 원통형 반응조(직경 300 mm, 높이 1,800 mm, 수 표면 높이 1,400 mm)를 이용하였다. PE와 무기물을 혼합하여 비중 0.985로 조절된 속이 빈 튜브칩 형태의 담체(직경7 mm, 길이 10 mm, 표면적 800 m²/m³)를 반응조 내 50 부피% 도입하였다. 역세척을 위해서는 공기가 사용되었으며, 공기용 산기관은 담체층 100 mm 아래에 설치하였다. 유입 유량을 반응조 유효부피에 대한 HRT 기준 1.0일로 정하고 고정층 반응조로 탈질 반응을 수행하였으며, 담체층의 역세척은 공기를 주입하여 1회당 5분, 하루 2회 역세척 함으로써 안정적인 운전이 가능하였다. 장기간 운전 결과 2개월 후 정상상태에서 TN 제거율이 95%에 달했다.

<실시예 2> 고농도 유기질소 함유 폐수의 처리

화학공장에서 배출되는 고농도 amine및 aniline 폐수(CODcr = 8,500 ppm, BOD5=3,200 ppm, NH4+=40 ppm, 유기질소 = 1,000 ppm)를 <실시예 1에서 사용된 반응조에 담체60 부피%를 투입한 후 고정층 관형반응조로 운전하였으며, 담체층의 역세척은 하루 4회, 일회 당 5분 공기를 주입하여 유동상으로 전환하여 행하였다. 추 가 BOD 제거와 암모니아의 질산화를 위해 본 혐기조 후단에 본 반응조의 1.5배 크기의 반응조에 같은 담체를60 부피%를 투여한 후 공기를 24시간 연속적으로 주입하여 운전하는 유동상 호기조를 직렬로 연결하여 함께 운전하였다. HRT를 혐기조 기준 2일, 호기조 기준 3일로 하여 호기조 배출수를 혐기조 전단으로 재반송하면서 운전하였다. 이때 원수의 유량 대비 반송 유량 비율에 따른 처리 결과가 도 3 및 도 4에 나와 있다.

도 3에서 보는 것처럼 혐기조의 COD 제거율이 반송비가 증가함에 증가하며, 반송비가 6이 되면 혐기조 만으로도 95% 이상 제거가 가능하다. 도 4는 aniline 및 amine 구조에 있는 유기성질소의 NH₄ ⁺으로의 ammonification 전환반응, 탈질화 및 질산화 반응에 대한 영향을 나타낸 것으로, 반송이 없는 경우는 혐기조에서는 ammonificatin 만 일어나고 호기조에서는 질산화 반응만 주로 일어나지만, 후단 호기조 처리수를 재반송하여 반송비가 2이상이 되면 혐기조에서 혐기소화 및 ammonification 반응 외에 탈질화 반응도 동시에 진행되는 것을 알 수가 있다. 이는 반송만 충분히 되면 본 발명의 혐기조 하나 만 가지고 혐기, ammonification 및 탈질반응을 동시에 진행시키는 획기적인 운전이 가능하다는 것을 제시한다.

< 실시예 3> 초 고농도 화학약품 폐수의 처리

화학산업에서 배출되는 Novolac 및 formaldehyde 함유 고 농도 폐수(CODMn=125,000 ppm, BOD 115,000 ppm)를 본 발명의 혐기조를 포함한 혐기-호기 시스템에서 처리하였다. 혐기조는 도 1에 제시된 혐기조(직경 300 mm, 높이 1,800 mm, working volume = 100 L)에 담체를 70 부피%를 투여하고 혐기 후 방출되는 혐기가스를 재반송하여 반응조 하부에 주입하되 24시간 연속으로 주입하여 유동상 혼합형 반응조로 운전하거나, 가스 주입 없이 고정층 관형반응조로 운전하되 역세척을 위해 가스 블로어에 타임머(Timer)를 설치하고 하루 6회, 1회 당 5분 가스를 주입하였다. 상기 혐기조와 동일한 반응조에 혐기가스 대신 공기를 24시간 연속적으로 주입한 호기조를 혐기조 후단에 직렬로 설치하였다. 반응조의 HRT를 각각 8일로 하고 운전한 결과 유입 폐수 대비 호기조 배출수를 혐기조 전단으로 재 반송한 비율에 따른 상기 폐수의 처리 결과가 다음 표 1에 나타나있다. 유동상 혼합형 반응조에 비해 고정층 반응조는 반송비가 낮을 경우 제거율이 낮아져서 궁극적으로 미생물이 고사하는 문제가 생기고 반응효율이 떨어져서 안정화되지 못하였으나 반송비가 6이상으로 증가하면 제거율이 높게 유지되었다. 유동층 반응조는 반송비가 낮아도 안정적인 운전이 가능하였다.

<표 1> 반송비에 따른 혐기조에서의 제거율(%)

혐기반응조 운전형식	반송비
혐기반응조 운전형식	0	2	4	6	8
고정층 관형	불안전	불안정	60	95	98
유동층 혼합형	70	80	90	95	98

이상에서 보는 바와 같이 본 발명은 필요에 따라 고정층 관형 반응조 또는 유동상의 혼합형 반응조로서의 변환 운전이 가능하고, 고정층 반응조로 사용할 경우에도 담체층의 역세척이 짧은 시간의 공기 공급만으로 이루어지며, 외부로부터 슬러지 재반송이 필요없고 운전이 간편하여 고농도 고독성의 폐수를 손쉽게 고효율로 처리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 유동층으로 운전시 담체량의 증가로 슬러지의 반송이나 축적없이도 처리가 가능하며, 또한 담체의 비중을 0.99 이상으로 조절시 슬러지가 축적된 상태에서 담체를 유동화시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 혐기성 반응조는 후단 처리수의 반송량을 조절하여 처리 효율을 높일 수 있으며, 또한 반송량을 2배이상 높일 경우 탈질이 추가로 가능하게 된다.

Claims

반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 담체층이 형성되며, 상기 담체층은 선택적으로 유동화되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제1항에 있어서, 상기 담체는 비중이 0.95 이상 1.0 미만으로 조절되어 수면아래 잠수 부상이 가능한 형태인 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제1항에 있어서, 상기 담체는 반응조 수면에 일정 두께로 충진되어 고정된 담체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제3항에 있어서, 담체층은 반응조의 2 - 90 부피%로 충진되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 담체층은 산기 장치에 의해 유동화되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제5항에 있어서, 상기 산기장치는 고정 담체층과 슬러지층 사이에 형성되는 설치되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제1항에 있어서, 상기 담체층은 담체층의 역세척시 간헐적으로 유동화되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제1항에 있어서, 상기 담체층이 연속적으로 유동화되어 유동층으로 운전되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응조에는 배출되는 처리수로부터 가스와 담체를 분리하기 위한 분리기가 내장되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
제1항에 있어서, 상기 분리기는 수표면층 아래에 잠기도록 설치되는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
반응조;

상기 반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 고정상 담체층이 형성되고, 상기 담체층은 선택적으로 유동화될 수 있으며;

산기 장치;

상기 반응조 탱크로 폐수를 유입시켜 분배하기 위한 액체 분배관; 및

상기 담체층을 통과하여 처리된 처리수로부터 가스와 담체를 분리하여 배출하기 위한 처리수 분리기를 포함하는 생물학적 혐기조에 있어서,

상기 생물학적 혐기조는 산기 장치의 작동에 따라 유동층 또는 고정층으로 운전되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제11항에 있어서,

상기 처리수 분리기는 수면의 표면층 아래에 잠기게 설치하되, 상기 담체 크기보다 작은 구멍이 다수개 형성된 관형의 담체차단관과, 상기 담체차단관의 하부에 일체로 형성되며 '∧'형상을 가진 가스차단판으로 구성되어, 각각 담체와 가스를 처리수로부터 분리하여 담체차단관 내부로 처리수만을 배출하는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제11항에 있어서,

상기 산기 장치는 상기 담체층 하부에 설치되어 가스 주입 시 담체를 유동화하기 위해 설치되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제11항에 있어서,

상기 담체는 비중을 0.95 이상 1.0 미만으로 조절하고, 단면부의 길이가 2-50mm 크기로 되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제11항에 있어서,

상기 담체층은 반응조 탱크 내 2-90부피%를 차지하도록 형성하는 것을 특징 으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제11항에 있어서,

상기 액체 분배관은 반응조 탱크의 하부에 설치하여 유입 폐수를 상향류로 흘려 반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제11항에 있어서,

상기 반응조 탱크의 상부에 혐기가스를 배출하기 위한 배출구가 형성되고, 상기 배출구를 통해 배출되는 혐기가스 중 일부를 상기 반응조 탱크 내로 재순환시키기 위한 블로어가 상기 가스 산기 장치에 연통설치되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제17항에 있어서, 상기 반응조 탱크로 처리된 폐수보다 낮은 BOD 농도를 가지는 물이 유입되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제18항에 있어서, 상기 물은 침전조 전단에서 유입되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
제18항에 있어서, 상기 BOD 농도가 낮은 물은 폐수보다 2배 이상 과량으로 유입되는 것을 특징으로 하는 생물학적 혐기성 반응조.
선택적으로 유동화될 수 있는 반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 담체층이 형성되는 생물학적 혐기조를 이용하여 고정상 또는 유동상으로 폐수를 처리하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 방법.
제21항에 있어서, 상기 담체는 비중이 0.95 이상 1.0 미만으로 조절되어 수면아래 잠수 부상된 형태인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 방법.
제21항에 있어서, 상기 담체층은 상기 하단에 형성된 산기장치의 산기에 의해 유동화되는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리방법.
제21항에 있어서, 상기 담체층은 고정상으로 운전되며, 간헐적인 산기에 의해 역세척되는 것을 특징으로 하는 생물학적 페수처리방법.
제21항에 있어서, 상기 담체층은 연속적인 산기에 의해서 유동상으로 운전되는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리방법.
제21항에 있어서, 상기 생물학적 혐기조를 폐수농도에 따라 고정상 또는 유동상으로 운전되는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리방법.
반응조; 상기 반응조 수면에 잠수 부상형 담체로 이루어진 비중이 0.95 이상 1.0 이하인 담체층; 상기 담체층을 선택적으로 유동화시키는 산기 장치; 상기 반응조 탱크로 폐수를 유입시켜 분배하기 위한 액체 분배관; 및 상기 담체층을 통과하여 처리된 처리수로부터 가스와 담체를 분리하여 배출하기 위한 처리수 분리기를 포함하는 생물학적 혐기조를 이용하여, 폐수를 선택적으로 고정상 또는 유동상으로 처리하는 생물학적 폐수처리방법.
제27항에 있어서, 상기 처리수 분리기는 수면의 표면층 아래에 잠기게 설치하되, 상기 담체 크기보다 작은 구멍이 다수개 형성된 관형의 담체차단관과, 상기 담체차단관의 하부에 일체로 형성되며 '∧'형상을 가진 가스차단판으로 구성되어, 각각 담체와 가스를 처리수로부터 분리하여 담체차단관 내부로 처리수만을 배출하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리방법.
제27항에 있어서, 상기 산기 장치는 담체층 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리방법.
제27항에 있어서, 상기 생물학적 혐기조는 고정층으로 운전시 유입 폐수를 상향류로 흘려 반응을 일으키고, 반응시간이 경과함에 따라 고형물로 오염된 담체층을 담체층 하부에 위치한 산기장치를 통하여 주기적으로 가스를 주입하여 담체층을 유동화시켜 역세척하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제27항에 있어서, 상기 생물학적 혐기조는 산기 장치를 연속적으로 가동하여 상기 담체층 및 슬러지를 유동화시켜 운전하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제27항에 있어서, 상기 폐수의 농도가 높거나 고독성일 경우 유동상으로 운전되는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제27항에 있어서, 상기 반응조 탱크로 처리된 폐수보다 낮은 BOD 농도를 가지는 물이 유입하여 함께 처리하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제33항에 있어서, 상기 BOD 농도가 물은 후단 처리수인 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제 33항에 있어서, 상기 후단 처리수는 폐수보다 2배 이상 과량으로 유입되는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제 35항에 있어서, 상기 후단 처리수를 폐수보다 2 이상 과량으로 유입시켜 탈질반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제31항에 있어서, 담체의 함량을 70 - 90 부피%로 충진하여 슬러지 반송 없 이 운전하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제31항에 있어서, 담체의 비중을 0.99 이상으로 조절하여 산기에 의해 담체가 유동되면서 반응조 하단에 슬러지가 충진되도록 운전하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
수면의 표면층 아래에 잠기게 설치하되, 담체 크기보다 작은 구멍이 다수개 형성된 관형의 담체차단관과, 상기 담체차단관의 하부에 일체로 형성되며 '∧'형상을 가진 가스차단판으로 구성되어, 각각 담체와 가스를 처리수로부터 분리하여 담체차단관 내부로 처리수만을 배출하는 것을 특징으로 하는 GLM 분리기.