KR20100098444A - 부유 매체 입상 활성탄소 막 생물반응기 시스템 및 공정 - Google Patents

부유 매체 입상 활성탄소 막 생물반응기 시스템 및 공정 Download PDF

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윌리암 지. 코너
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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

입상 활성탄소 물질이 폭기부에 도입되고 막 조업 시스템의 상류에서 유지되는 막 생물반응기를 사용하는, 산업폐수 흐름을 처리하기 위한 시스템 및 공정이 제공된다. 활성탄소 과립의 크기는, 혼합액이 막 물에 잠긴 막을 포함하는 조업 시스템 탱크(들)에 들어가기 전에, 활성탄소 과립이 혼합액 흐름으로부터 스크리닝되거나 쉽게 분리될 수 있도록 선택되어, 탄소 과립에 의한 막의 마모를 방지한다. 폭기부는 폐기물 배출부를 포함하여, 화학적 산소요구량 화합물의 유출 농도가 일반적으로 정부 기관에 의하여 설정된 한계에 도달할 때 소모된 입상 활성탄소의 일부가 제거될 수 있고, 더 큰 흡착용량을 가지는 새롭거나 재생된 입상 활성탄소를 첨가하여 교체될 수 있다.

Description

부유 매체 입상 활성탄소 막 생물반응기 시스템 및 공정 {SUSPENDED MEDIA GRANULAR ACTIVATED CARBON MEMBRANE BIOLOGICAL REACTOR SYSTEM AND PROCESS}
관련 출원
본 출원은 2007년 12월 19일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/008,606호의 우선권을 주장하며, 상기 가출원의 개시는 본 명세서에 참조로 수록된다.
기술 분야
본 발명은 산업폐 수 처리 시스템 및 방법, 더욱 구체적으로는 막 생물반응기(membrane biological reactor)를 사용하는 산업폐수 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
배경기술
가정하수와 산업폐수의 효과적인 처리는 삶의 질 향상 및 깨끗한 물 보존의 매우 중요한 측면이다. 약 반 세기 전까지 표준 관례였던, 강, 호수 및 바다와 같은 수원으로의 폐수 단순 방류와 관련된 문제가 명백한데 - 생물학적, 화학적 폐기물은 감염성 질환의 확산 및 발암성 화학물질에 대한 노출을 포함하는 모든 생명체에 대한 위험을 발생시킨다. 그러므로, 폐수 처리 공정은 가정 인구로부터 나온 공중폐수(sanitary wastewater)가 정화되는 도처의 도시폐수 처리 시설로부터, 다양한 폐수 응용분야의 특정 오염물질이 처리되는 특화된 산업폐수 처리 공정에 이르는 시스템으로 발전해왔다.
일반적으로, 폐수 처리 시설은 호수, 강 및 시내와 같은 수역에 안전하게 방류할 수 있도록 물을 정화하기 위하여 다중 처리 단계를 이용한다. 현재, 많은 오수 처리 플랜트들이 큰 물체를 제거하기 위한 기계적 수단(예를 들어, 바 스크린)이 사용되는 일차 처리 단계, 및 모래(sand), 그리트(grit) 및 돌이 침전하는 모래 또는 그리트 채널을 포함한다. 일부 처리 시스템은 또한 스키밍(skimming)을 위하여 특정한 지방, 그리스 및 오일이 표면에 부유할 수 있는 단계를 포함한다. 이후 폐수는 이차 생물학적 활성슬러지 처리 단계에 보내진다. 활성슬러지 공정은 폭기 탱크(aeration tank), 전형적으로 뒤이어 청징기(clarifier)/침전 탱크(settling tank)에서 호기성 생물학적 처리를 하는 것을 포함한다. 청징기/침전 탱크 유출물(effluent)은 방류되기 전에 추가 처리 단계를 거치거나 거치지 않을 수 있고, 슬러지는 추가 처리를 위하여 폭기 탱크로 재순환되어 돌아가거나, 매립지, 소각로에서 처분하기 전 또는 슬러지(sludge)에 독성 성분이 없을 경우 비료로서 사용되기 전에 추가로 처리된다.
폭기 탱크에서, 공기가 혼합액(공급 폐수와 다량의 박테리아의 혼합물)에 첨가된다. 공기 중의 산소는 폐수 공급물 내에서 부유액(suspension)에 용해되거나 운반되는 유기 화합물의 생물학적 산화를 위하여 박테리아에 의하여 사용된다. 생물학적 산화는 폐수로부터 유기 오염물질을 제거할 수 있는 전형적으로 가장 낮은 비용의 산화법이고, 생물학적으로 처리 가능한 유기 화합물로써 오염된 폐수에 대하여 가장 널리 사용되는 처리 시스템이다. 생물학적으로 불응성(refractory)이거나 처리가 어려운 유기 화합물을 함유하는 폐수 또는 무기 성분을 함유하는 폐수는 일반적으로 통상적인 생물학적 폐수 처리 시스템에 의하여 충분히 처리될 수 없고, 흔히 오염물질을 제거하기 위하여 비용이 더 많이 드는 방법을 필요로 한다.
폭기 탱크에서 나온 혼합액 유출물은 전형적으로 폐슬러지(농축 혼합액에 부유하는 고형물)가 중력에 의하여 침전하는 청징기/침전 탱크로 들어간다. 그러나, 폐수 및 경제적 요구에 따라, 일부 생물학적 산화 시스템은 폐수 유출물로부터 고형물을 제거하기 위하여 상이한 처리 방법을 사용한다. 청징기/침전 탱크는 막(막 생물반응기)으로 대체될 수 있고, 또는 용존공기 부상 장치와 같은 또 다른 단위조작(unit operation)이 사용될 수 있다. 청징기/침전 탱크, 막 또는 용존공기 부상 장치로부터 나온 액체 유출물은 방류되거나 방류에 앞서 추가로 처리된다. 혼합액으로부터 제거된 고형물은 추가 처리를 위하여, 그리고 시스템에 박테리아를 보유하기 위하여 반송 활성슬러지로서 폭기 탱크에 되돌아간다. 이러한 반송 활성슬러지의 일부는 혼합액의 박테리아 농도를 조절하기 위하여 재순환 라인으로부터 주기적으로 제거된다.
점진적으로 막 생물반응기 기술을 이용하여 공중폐수가 처리되고 있는데, 상기 막 생물반응기 기술은 향상된 유출물 품질, 더 작은 물리적 접촉면(footprint) (제곱피트의 처리면적당 더 많은 폐수가 처리될 수 있음), 조업이상(upset)에 대한 증가된 내성(tolerance), 처리하기 어려운 폐수(예를 들어, 통상적인 청징기/침전 탱크에서 처리될 수 없는 많은 양의 총 용존 고형물을 포함하고, 용존공기 부상 장치 또는 일부 다른 고형물 제거 시스템과 같이 훨씬 더 조업하기 어려운 고형물 침전 장치를 필요로 하는 폐수)를 가공하는 개선된 능력 및 다양한 다른 조업적 장점을 제공한다. 그러나, 막 생물반응기는 흔히 청징기를 사용하는 통상적인 시스템에서는 발생하지 않는 막오염(membrane fouling) 및 거품발생(foaming)의 문제점을 나타낸다. 막오염은 전형적으로, 혼합액에 부유하는 고형물에 있는 생물학적 생명체의 분해로부터 기인하는 세포외 고분자 화합물에 의하여 초래된다.
통상적인 공업적 생물학적 폐수 처리 플랜트 기술의 최근의 한 진보는 분말화된 활성탄소 입자를 혼합액에 첨가하는 것을 포함한다. 이러한 공정에서, 특정 유기 화합물 및 무기 화합물이 분말화된 활성탄소 입자의 표면에 물리적으로 흡착된다. 공지된 분말 활성탄소 시스템의 한 예는 상표 "PACT®로 지멘스 워터 테크놀로지(Siemens Water Technologies)사에 의하여 제공된다. 분말화된 활성탄소는 통상적인 생물학적 처리 플랜트에서 사용되어 왔는데, 왜냐하면 생물학적으로 불응성인 유기 화합물 및 무기 화합물을 흡착하여 이러한 오염물질의 농도가 더 낮은 유출물을 제공하는 능력 때문이다. 혼합액에 분말화된 활성탄소를 포함하는 것은 많은 조업상의 이점을 제공한다. 탄소는 증가된 오염물질 제거 및 조업이상 상태에 대한 증가된 내성을 포함하는, 부유 매체(suspended media) 생물학적 처리 시스템의 장점을 제공한다. 뿐만 아니라, 탄소는 생물학적으로 불응성인 유기 물질이 탄소의 표면에 흡착되게 하고 통상적인 생물학적 처리 시스템보다 현저히 더 긴 시간 동안 생물체에 노출되게 하여, 고정막 시스템과 유사한 이점을 제공한다. 또한 탄소는 생물학적으로 불응성인 유기 물질을 더 잘 소화할 수 있는 박테리아 균주의 진화를 가능하게 한다. 탄소가 반송 활성슬러지를 포함하는 폭기 탱크로 계속하여 재순환되어 돌아간다는 사실은, 박테리아가 탄소의 표면에 흡착된 생물학적으로 불응성인 유기 화합물을 계속하여 소화할 수 있음을 의미한다. 이 공정은 또한 탄소의 생물학적 재생을 일으키고, 탄소의 흡착용량 고갈시 탄소의 빈번한 교체 또는 비용이 많이 드는 물리적 재생을 또한 필요로 하는 단순 충전층(packed bed) 탄소 여과기 시스템에서 가능한 것보다 현저히 더 많은 생물학적으로 불응성인 화합물을 제거할 수 있게 한다. 또한 탄소는 생물학적 산화에 의하여 처리될 수 없는 무기 화합물을 유출물로부터 흡착하고 제거할 수 있다. 그러나 막 생물반응기는 현재까지는 분말화된 활성탄소 첨가와 함께는 상업적으로 사용되지 않았다. 여과를 위하여 막을 사용하는 지표수 처리 시스템에서 분말화된 활성탄소를 얼마간 사용하였다. 그러나, 막과 분말화된 활성탄소를 사용하는 이러한 지표수 처리 시스템은 탄소가 막을 마모시키는 문제점 및 탄소가 막을 영구적으로 막고 (plugging) 및/또는 막을 오염시키는 문제점을 가지는 것으로 보고되었다.
방류 또는 재사용 전에 처리되어야 하는 산업폐수는 흔히 유성(oily) 폐수를 포함하고, 유성 폐수는 유화된 탄화수소를 함유할 수 있다. 유성 폐수는 강(steel) 및 알루미늄 산업, 화학 공업, 자동차 산업, 세탁 산업, 원유 회수 및 정유 산업을 포함하는 다양한 산업으로부터 생길할 수 있다. 앞에서 논의한 것과 같이, 특정한 양의 비-유화된 오일 및 다른 탄화수소는, 부상 오일이 표면에서 스키밍되는 일차 처리 공정에서 제거될 수 있다. 그러나, 일반적으로 폐수에 잔류하는 오일을 제거하기 위하여 생물학적 이차 폐수 공정이 사용된다. 일차 처리 후 잔류하는 전형적인 탄화수소에는 윤활제, 절삭액, 타르, 그리스, 원유, 디젤유, 가솔린, 등유, 제트 연료 등이 포함될 수 있다. 폐수에 잔류하는 탄화수소는 수십 내지 수천의 백만분율(part per million) 범위로 존재할 수 있다. 이러한 탄화수소는 물을 주위환경에 방류하기 전 또는 산업 공정에서 물을 재사용하기 전에 제거되어야 한다. 정부의 규제 및 경제적 우려 이외에도, 충분히 처리된 폐수가 많은 산업 공정에서 사용될 수 있으며, 원수(raw water) 처리 비용을 없앨 수 있고, 규제적인 방류 우려를 줄일수 있으므로, 잔류하는 탄화수소의 효과적인 제거는 또한 이점을 가진다.
유성 폐수/산업폐수의 처리에서 막 생물반응기의 상업적 전개는, 주로 막의 오일 및 화학물질 오염과 관련된 관리 문제로 인하여, 매우 천천히 발전했다. 혼합액에 첨가된 분말화된 활성탄소를 갖는 막 생물반응기에서 처리된 산업폐수/유성 폐수의 테스트는 분말화된 활성탄소를 포함하는 통상적인 생물학적 폐수 처리 시스템에서 관찰되는 것과 같은 동일한 처리 장점을 나타냈다. 또한 막 생물반응기 사용의 장점 역시 획득될 수 있음이 주목되었다. 그러나 분말화된 활성탄소를 첨가하는 막 생물반응기와 첨가하지 않는 막 생물반응기를 나란히 비교하면, 분말화된 활성탄소를 첨가하는 막 생물반응기는 두 시스템의 모든 처리 장점을 가지는 반면, 탄소를 첨가하지 않는 막 생물반응기는 막을 오염시키는 잔류 오일 및 세포외 고분자 화합물로 인하여, 조업이 불가능하지 않을 경우 조업하기가 매우 어려웠다. 테스트는 분말화된 활성탄소의 첨가가 매우 실용적인 생물학적 폐수 처리 시스템을 제공하는 반면, 탄소가 막을 상당히 마모시키고 비가역적으로 오염시키는 해로운 영향을 가짐을 추가로 나타냈다. 이러한 마모와 비가역적 오염은 이러한 시스템을 조업하기에 많은 비용을 발생시키기에 충분하도록 현저했다(현저하게 감소한 막의 기대수명 때문임) .
막 생물반응기를 사용하지 않는 특정 유형의 수처리 공정에서, 입상 활성탄소가 고정층에서 흡착성 매체로서 사용된다. 예를 들어, 어빈(Irvine) 등의 미국 특허 제5,126,050호에는 폐수 또는 소모된 입상 활성탄소와 같은 공급원으로부터 유기 오염물질을 흡착하기 위하여 입상 활성탄소 여과 단계를 포함하는 다단계 공정이 기재되어 있다. 입상 활성탄소는 탱크에서 유지되고, 유입물(influent)은 입상 활성탄소층의 유동을 방지하기 위하여 분배기를 통하여 바닥에 제공된다. 또 다른 예는 원수로부터 음료수를 얻기 위한 정수 처리 방법이 기재되어 있는, 이노우에(Inoue) 등의 일본 특허출원번호 JP10323683이다. 이러한 시스템은 물탱크 내에 입상 활성탄소층을 포함한다. 유기 물질은 입상 활성탄소에 흡착되는데, 입상 활성탄소는 이에 부착된 호기성 박테리아를 포함한다. 이러한 시스템과 공정은 폐수보다는 강물, 호수물, 연못물 및 지하수와 같은 물을 처리하는 것으로 기재되어 있다. 이러한 시스템에서, 탄소의 흡착용량 고갈시 탄소를 교체하거나 재생하는 조업 비용이 대체로 과도하다. 더욱이, 이러한 시스템은 흡착용량 요건을 줄이거나 탄소를 재생하기 위하여 생물학적 산화를 이용하지 않는다.
또한, 베이어스(Beyers) 등의 유럽 특허공개번호 EP1258460에는 생분해기(biodegrader)에 접목된 입상 탄소의 충전층을 사용하여, 지하수 또는 다른 물 흐름에 존재하는 함산소물(oxygenate)을 생분해하는 방법이 기재되어 있다. 특히, 베이어스 등은 입상 탄소가 MTBE-분해 미생물과 접목된 바람직한 구체예를 개시한다. 비록 이러한 시스템이 오염물질의 탄소 흡착을 생물학적 산화와 조합하기는 하지만, 상기 시스템은 생물학적 처리 시스템에 대하여 전형적인 것보다 현저히 더 많은 비용의 처리를 고려하는 처리하기 어려운 특정한 폐수 요구에 대하여 설계되었다. 게다가, 상기 시스템은 생물학적 처리 시스템(예컨대 막 생물반응기)보다는 충전층 기술을 이용한다.
상기 인용된 예들 중 어떤 것은 비교적 비용이 많이 드는 처리 방법이기 때문에, 처리 비용이 문제가 되지 않는 응용분야로 이용이 제한된다. 뿐만 아니라, 상기 어느 것도 탄소 흡착과 조합된 막 생물반응기의 비용 및 조업적 장점을 포함하지 않는다.
다른 정수 적용예에서, 처리될 수역에서 입상 활성탄소가 부유액에 고정된다. 예를 들어, 포드(Ford)의 유럽 특허공개번호 EP0543579에는 물로부터 살충제 잔류물 및 다른 유기 물질을 제거하는 공정이 기재되어 있다. 소모된 활성탄소가 처리된 물을 따라 연속하여 제거되기 때문에, 활성탄소가 연속적인 방식으로 첨가된다. 그러나, 포드의 참고문헌에 개시된 시스템은 오염물질(살충제 잔류물)을 제거하기 위하여 다량의 입상 활성탄소를 필요로 한다. 상기 시스템에는 이러한 오염물질을 제거하기 위한 생물학적 메커니즘이 존재하지 않는다.
일본 특허문헌 JP62286591 및 JP63016096은 활성슬러지 슬러리와 입상 활성탄소의 혼합을 포함하는, 유기 폐기물 수처리 방법을 개시한다. 침지된 막 생물반응기의 개발에 앞서 개시된 상기 방법은 하류의 막 시스템에서 한외여과(ultra-filtration) 또는 역삼투 막과 조합하여 입상 활성탄소를 사용한다. 상기 참고문헌은 유기 폐수(예를 들어, 배설물)와 관련된 문제점을 해결하고, 실질적으로 탄화수소를 포함하는 유성 폐수와 같은 산업폐기물을 취급하지 않는다. 또한, 이러한 시스템은 막 생물반응기가 최초로 테스트될 때 개발되었고, 상기 시스템의 목적은 혼합액에 존재하는 불응성 유기 화합물이 막을 오염시키는 것을 방지하는 것이었다. 발명자들은 통상적인 청징기/침전 탱크 대신 막을 사용하는 것이 궁극적으로 독성 농도의 유기 화합물을 발생시킬 것이고 폭기 탱크의 일반적인 생물학적 산화 공정을 간섭할 것으로 추측했다. 그러나, 실제로 이러한 일이 일어나지 않은 것으로 밝혀졌고, 그 결과 상기 기술이 상업화되지 않았다. 더욱이, 상기 참고문헌에 기재된 시스템의 일차 적용은, 비교적 낮은 화학적 산소요구량(COD) 화합물(예를 들어, 약 2:1의 COD 대 생물학적 산소요구량(BOD) 비율)을 포함하는 공중폐수의 처리인데, 상기 공중폐수는 COD 대 BOD 비율이 현저하게 더 높은 산업폐수와 대조적이다.
본 명세서에서 사용한 생물학적으로 불응성인 화합물은 폐수에 존재하는, 전형적으로 열두 시간의 체류시간 내에 미생물로써 분해되지 않는 COD 화합물 (유기 및/또는 무기) 유형의 화합물을 지칭한다.
또한 본 명세서에서 사용한 생-억제성 화합물은 폐수에 존재하는, 생물학적 분해 공정을 억제하는 화합물(유기 및/또는 무기)을 지칭한다.
그러므로 본 발명의 목적은, 과립화 활성탄소를 사용하여 생물학적으로 불응성인 유기 화합물 및 무기 화합물을 과립화 활성탄소의 표면에 흡착시키고 과립화 활성탄소를 막 분리 단계의 생물반응기 시스템 상류에서 유지하는, 막 생물반응기 시스템의 공정과 장치를 제공하는 것이다. 이는 혼합액에 첨가된 분말화된 활성탄소를 보유하고, 혼합액의 탄소가 막에 접촉할 때 수반하는 마모와 오염이 없는 부유 매체 막 생물반응기의 장점을 제공할 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 효율적이며, 설비를 위한 최소의 자본 투자를 필요로 하고, 낮은 조업 비용을 가지는 공정 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산업폐수와 유성 폐수의 처리에 특히 적합한 공정 및 시스템을 실행하는 것이다.
발명의 개요
상기 목적 및 추가적인 장점은 막 생물반응기를 사용하는 산업폐수 흐름 처리 시스템 및 공정에 의하여 제공되는데, 상기 시스템 및 공정은 입상 활성탄소 물질을 막 조업 시스템의 상류에서 유지되는 폭기부(aeration portion)에 도입하는 것을 포함한다. 활성탄소 과립의 크기는 막을 포함하는 막 조업 시스템 탱크(들)에 들어가기 전에 혼합액 흐름으로부터 활성탄소 과립이 스크리닝(screening)되거나 쉽게 분리될 수 있도록 선택되어, 막의 마모를 방지한다. 폭기부는 폐기물 배출부를 포함하여, 화학적 산소요구량 화합물의 유출 농도가 일반적으로 정부 기관에 의하여 설정된 한계에 도달할 때 소모된 입상 활성탄소가 일부가 제거되고, 흡착용량을 가지는 추가 입상 활성탄소가 폭기 탱크에 첨가되도록 한다.
전형적인 막 생물반응기 시스템에서, 큰 입자 및 작은 입자가 시스템에서 침전하거나 막을 손상시키는 것을 방지하기 위하여, 조목 스크린(coarse screen) 및 정밀 스크린(fine screen)이 폭기 탱크의 상류에 위치한다. 예를 들면, 가정하수 막 생물반응기에서, 막과 엉키고 조업상의 문제를 야기할 수 있는 머리카락을 제거하기 위하여 정밀 스크린이 또한 제공된다. 폐수가 산업폐수인 본 발명의 적용예에서, 막이 위치하는 막 조업 시스템 탱크에 혼합액이 들어가기 전에, 혼합액으로부터 입상 활성탄소를 스크리닝할 수 있다는 추가적인 요건이 존재한다. 이는 다양한 구성에서 이루어진다. 한 배치에서, 폭기 탱크의 상류에 조목 스크린이 있고 정밀 스크린이 없으며, (사용되는 입상 활성탄소의 하한 효과적인 입상(effective granule) 크기보다 작은 메쉬 크기의) 정밀 스크린 또는 스크리닝 시스템이 폭기 탱크에 위치하거나 폭기 탱크와 막 탱크 사이에 위치한다. 특정 구체예에서, (폐수에 존재하는 일반적인 오염물질 제거에 필요한 크기의) 조목 스크린 및 정밀 스크린이 폭기 탱크의 상류에 제공되고, (입상 활성탄소 제거를 위한 크기의) 스크리닝 시스템이 폭기 탱크에 제공되거나, 폭기 탱크와 막 탱크 사이에 제공된다. 그러므로, 본 발명의 목적은 입상 활성탄소가 폭기 탱크를 떠나 막을 포함하는 막 조업 시스템 탱크로 들어가는 것을 방지할 분리 시스템을 제공하는 것이다.
혼합액에서 입상 활성탄소를 사용하는 것은 입상 활성탄소를 첨가하지 않고 동일한 폐수를 처리하는 막 생물반응기와 비교하여, 막 생물반응기에 상당한 조업상의 장점을 제공한다. 스크리닝/분리 시스템(대부분의 입상 활성탄소를 막이 존재하는 막 조업 시스템 탱크의 상류에서 유지되도록 할 것임)과 함께 입상 활성탄소를 사용하는 것은, 분말화된 활성탄소가 막 생물반응기에서 사용되고 탄소가 막과 접촉하도록 허용될 경우 관찰되는 비가역적 오염과 마모를 방지할 것이다. 적어도 약 0.3 밀리미터의 유효 크기를 가지는 입상 활성탄소를 사용하는 것은, 막 여과를 위하여 막 조업 시스템 탱크(들)에 수송되는 혼합액 흐름으로부터 입상 활성탄소의 대부분 또는 모두가 여과되도록 할 것이다. 막 조업 시스템 탱크(들)에서 흡착성 물질을 최소화하거나 제거하는 것은, 예컨대 분말화된 활성탄소를 사용하는 막 생물반응기의 조업 효율과 내용연수에 유해한 것으로 결정되는 막의 마모를 감소시키거나 없앨 것이다.
막 생물반응기 시스템에서 입상 활성탄소를 사용하고, 탄소가 막과 접촉하는 것을 방지하기 위하여 스크리닝/분리 시스템을 포함하는, 본 명세서에서 기재한 방법 및 시스템은 유사한 수리학적 체류시간을 갖는 통상적인 막 생물반응기 시스템으로부터 얻은 유출물 품질과 비교하여, 폐수 공급물에 대하여 더 빠른 혼합액의 순응, 감소된 막오염, 세포외 물질에 의하여 초래되는 거품발생의 감소, 막에 대하여 더 긴 유용 기대수명을 야기하는 감소된 마모, 공급 농도 및 유속 변화에 대한 개선된 내성, 개선된 슬러지 특징(예를 들어, 더 빠른 탈수, 더 적은 오일 특성 및 취급의 용이성) 및 개선된 유출물 품질(더 낮은 유기 불순물 및 무기 불순물 농도 포함)을 포함하는 다양한 조업상의 이점을 제공한다.
본 발명은 아래에서 첨부 도면을 참조하여 더욱 자세하게 기재될 것이고, 첨부 도면에서 같거나 유사한 요소가 동일한 번호에 의하여 지칭되며, 도면은 다음과 같다:
도 1은 본 발명에 따른 폐수 처리를 위한 장치의 구체예의 개략적 도해이다;
도 2는 도 1의 장치의 두 번째 구체예이고, 폐수 흐름의 탈질작용(denitrification)을 위한 수단을 포함한다;
도 3은 막 생물반응기 시스템의 다양한 단계에서의 생물학적으로 불응성이고 생-억제성인 화합물의 공급 농도(리터당 밀리그램) 및 잔류하는 유출 농도(원래에 대한 백분율)를 나타내는 도표이다.
본 발명의 이해를 쉽게 하기 위하여, 도면에서 공통인 동일하거나 유사한 요소를 명시하기에 적절할 경우에 동일한 참조 번호가 사용된다.
도면의 상세한 설명
도 1은 산업폐수 또는 유성 폐수 가공 시스템(100)의 공정 흐름의 개략도를 나타낸다. 시스템(100)은 일반적으로 폭기 탱크(102)와 막 조업 시스템 탱크(104)를 포함한다. 폭기 탱크(102)는 폐수를 수용하기 위한 입구(106) 및 폐수를 막 조업 시스템 탱크(104)로 배출하기 위한 출구(108)를 포함한다. 폭기 탱크(102)는 혼합액을 폭기할 목적으로, 폐수 처리 분야에서 알려진 것과 같이 공기 확산 장치를 포함한다. 이외에도 본 명세서에서 더욱 자세하게 기재하는 바와 같이, 입상 활성탄소를 부유액에 유지시키기 위하여, 선택적인 추가 공기 확산 장치가 포함될 수 있다. 폭기 탱크(102)로부터 스크리닝된/분리된 유출물이 입구(110)를 통하여 막 조업 시스템 탱크(104)에 도입된다. 막 조업 시스템 탱크에서, 폐수는 막 생물반응기 분야에서 알려진 바와 같이 하나 이상의 막을 통과한다. 출구(112)는 막 생물반응기 시스템(100)으로부터 처리된 유출물을 운송한다. 반송 파이프(114)는 반송 활성슬러지를 폭기 탱크(102)로 이동시키기 위하여 막 조업 시스템 탱크(104)와 폭기 탱크(102) 사이를 연결한다. 폭기 탱크(102)에서 나온 소모된 입상 활성탄소(즉, 생물학적으로 불응성인 화합물 흡착에 더 이상 효과적이지 않은 입상 활성탄소)가 혼합액 폐기물 배출부(116)를 통하여 제거될 수 있다. 폐기물 출구(118)가 혼합액 농도를 조절하기 위하여, 처리를 위한 일부 또는 모든 반송 활성슬러지를 우회시키도록 반송 파이프(114)에 연결될 수 있다. 미생물 성장 촉진을 위하여 종자 배양균(seed culture)이 폭기 탱크(102)에 첨가된다.
예비 스크리닝 시스템(120)은 폭기 탱크(102)의 입구(106)의 상류에 위치한다. 이러한 예비 스크리닝 시스템은 용존공기 부상 시스템, 조목 스크린 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 선택적으로, 처리될 특정 폐수에 따라 다른 유형의 예비 처리 장치를 포함할 수 있다. 정밀 스크린 또는 분리기 서브시스템(122)이 폭기 탱크(102) 안에 포함된다. 선택적으로, 상기 정밀 스크린 또는 분리기 서브시스템(122)과 조합 또는 정밀 스크린 또는 분리기 서브시스템이 폭기 탱크(102)와 막 조업 시스템(104) 사이에 제공될 수 있다. 정밀 스크린(122)은 웨지 와이어 스크린(wedge wire screen) 또는 회전 드럼 스크린(rotating drum screen), 또는 다른 분리 공정일 수 있고, 이들은 막 조업 시스템(104)에서 입상 활성탄소가 혼합액과 함께 통과함에 따라 막과 접촉하는 것을 방지할 것이다. 폭기 탱크(102)로부터 스크리닝되거나 분리된 혼합액 유출물은 (특정 시스템의 디자인에 따라) 막 조업 시스템(104)으로 양수되거나 중력에 의하여 흐를 수 있다. 외부 분리 시스템(도시하지 않음)을 사용하는 시스템에서, 외부 정밀 스크린 또는 분리기 서브시스템을 통과하는 혼합액으로부터 분리된 입상 활성탄소는 중력에 의하여 폭기 탱크로 다시 떨어질 수 있거나 별도의 입구를 통하여 폭기 탱크(102)로 되돌아갈 수 있다.
본 발명의 공정 및 시스템에서 사용하기에 적절한 유형의 스크린 또는 스크리닝 시스템은 실린더형 또는 평평한 구성 및 수직 배향, 수평 배향, 또는 그 사이의 임의의 각도를 포함하는 다양한 각도로 배치된 웨지 와이어 스크린, 금속 또는 플라스틱 천공판(apertured plate), 또는 직물; 또는 회전 드럼 스크린과 같은 동적 스크리닝 시스템을 포함한다. 정지 구역(quiescent zone)에서의 중력 침전을 포함하는 다른 분리 기술이 또한 이용될 수 있다.
도 1에서, 폐수 공급물 흐름이 예비 스크리닝 시스템(120)을 통과하여 폭기 탱크(102)로 들어간다. 폭기 탱크는 입상 활성탄소와 함께 폐수를 폭기하여 혼합액(폐수 및 혼합액에 부유하는 고형물을 함유함)을 생성한다. 입상 활성탄소(적절하게는, 예를 들어 입상 활성탄소 슬러리를 형성하도록 사전 습윤됨)는 시스템(100) 내의 하나 이상의 위치부(130a, 130b 및/또는 130c)에서 폐수에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 입상 활성탄소가 예비 스크리닝 시스템(120)의 하류(예를 들어, 위치 (130a))에서 공급물 흐름에 첨가될 수 있다. 선택적으로, 또는 조합으로, 입상 활성탄소가 폭기 탱크(102)(즉, 위치 (130b))에 직접 첨가될 수도 있다. 특정한 바람직한 구체예에서, 입상 활성탄소가 반송 활성슬러지 라인(114)(예를 들어, 위치 (130c))을 통하여 도입될 수 있다. 특정 구체예에서, 예비 스크리닝 시스템(120)의 앞(예를 들어, 위치 (130d))에 입상 활성탄소를 첨가하는 것이 바람직할 수 있는데, 여기서 이러한 적용을 위하여 예비 스크리닝 시스템(120)은, 입상 활성탄소가 예비 스크리닝 시스템(120)을 통과하여 폭기 탱크(104)로 들어가도록 스크리닝을 포함하여 설계될 수 있다. 혼합액은 정밀 스크린 또는 분리기 서브시스템(122)을 통과하고, 막 조업 시스템 탱크(104)를 통과하는 혼합액에 부유하는 고형물로부터 입상 활성탄소는 제거된다.
입상 활성탄소는 처리하기 어려운 유기 화합물 및 무기 화합물(생물학적으로 불응성, 생-억제성 등)을 흡착할 수 있는 흡착 부위를 제공한다. 입상 활성탄소는 시스템에 잔류하여, 미생물이 성장하게 되고, 결국 시스템 중의 처리하기 어려운 특정한 화합물 분해에 특이적으로 순응한 성숙한 균주(mature strain)로 진화한다. 뿐만 아니라, 처리하기 어려운 화합물을 포함하는 입상 활성탄소가 시스템에서 유지되는 추가 시간(예를 들어, 수 일 내지 수 주)에 걸쳐, 높은 정도의 특이성을 가지는 미생물이 2세대, 3세대, 및 그 이상의 세대가 되어, 특정한 처리하기 어려운 화합물을 생분해하는 미생물의 효능이 증가된다.
결국 일부 또는 전부의 입상 활성탄소는 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 화합물을 처리하는데 비효율적으로 될 것이다. 이는 막 조업 시스템에 들어가는 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 화합물의 더욱 높은 농도를 초래할 것이며, 상기 막 조업 시스템에서는 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 화합물이 막을 통과하게 된다. 입상 활성탄소는 흡착용량에 도달할 수 있고 (초기 순응 후), 이 시점에서는 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 화합물이 더 이상 흡착될 수 없다. 게다가, 미생물이 다당류 및/또는 세포외 고분자 물질로 코팅되는, 슬라이밍(sliming)으로 알려진 현상으로 인하여, 입상 활성탄소는 더욱 비효율적으로 된다. 이러한 슬라임 층은 초기에는 미생물을 보호하나, 공극 위치를 폐색하여 처리하기 어려운 화합물에 대한 접근을 막고 이에 따라 생분해를 방해하는 수준에 도달할 수 있다.
이러한 단계에서, 입상 활성탄소가 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 화합물의 유출 농도를 감소시키는 효능의 전부 또는 부분을 잃은 것으로 측정될 때, 입상 활성탄소를 함유하는 일부 혼합액이 폭기 탱크로부터 배수될 수 있다 (폐기물 포트(116)를 통하여). 본 명세서에 기재한 것과 같이, 첨가 가능한 위치 중 하나에서 입상 활성탄소는 더욱 첨가될 수 있다. 유입 폐수 및 유출 폐수의 화학적 산소요구량(COD) 화합물 농도(즉, 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 화합물을 포함)는 시스템에 존재하는 입상 활성탄소 및 이에 수반하는 생물체량(biomass)이 언제 유효성을 잃는지를 측정하기 위하여 모니터링될 수 있다. 유입 COD 농도로 나눈 유입 COD와 유출 COD 간의 차이의 플롯(plot)은 혼합액 중의 입상 활성탄소의 점진적인 효능 손실을 나타내는 플롯을 생성할 것이다. 공급물 흐름으로부터 제거된 COD의 양은 폐수 공급물로부터 제거되는 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기 화합물의 상대적인 양의 지표를 제공할 수 있다. 조업자는 특정한 폐수 처리 경험을 쌓음에 따라, 예를 들어 유출물을 규제 요건에 따르도록 유지시키기 위하여, 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 화합물에 대하여 요구되는 제거 효율을 회복하도록, 폭기 탱크의 입상 활성탄소의 일부를 제거하고 이를 새로운 탄소로 교체할 필요가 있는 시점을, 상기 비율이 언제 나타내는지를 결정할 수 있을 것이다. 또한, 특정 유기 화합물 및 무기 화합물의 농도에 대한 유출물의 샘플수집 및 분석이 혼합액 중의 입상 활성탄소 및 이에 수반하는 생물체량이 언제 고갈되고 부분 교체를 필요로 하는지를 측정하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 막 생물반응기 시스템의 조업자는, 특정 유기 화합물 또는 무기 화합물의 유출 농도가 상기 화합물에 대하여 기구가 허용하는 배출 농도에 근접하기 시작할 때, 입상 활성탄소의 일부를 교체하기 시작할 수 있다. 허용된 배출 농도는, 예를 들어 미국환경보호국에 의하여 규제되는 국가 오염물 배출 감소 제도(National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES) 허가 프로그램, 또는 다른 유사한 규제기구에 의하여 결정되는 바와 같이, 전형적으로 기구의 허가에 의하여 제한된다. 조업자는 폐수를 사용하여 이러한 시스템을 조업하는 경험을 쌓임에 따라, 입상 활성탄소 교체의 개시 시기를 예상할 수 있게 될 것이다. 조업자가 입상 활성탄소 및 이에 수반하는 생물체량의 유효성이 오염물질의 필수 유출 농도 달성 불능에 다가감을 결정할 수 있을 때, 도 1의 라인(118)으로부터 반송 활성슬러지를 폐기하여 수행되는 보통의 과잉 생물체량 폐기가 정지될 수 있고, 과잉 생물체량 및 수반하는 입상 활성탄소가 폐기물 포트(116)를 통하여 폭기 탱크(102)로부터 폐기될 수 있다. 폐기되는 물질의 양은 조업되는 특정한 막 생물반응기 시스템에 대한 최적 조업 범위 내에서 혼합액에 부유하는 고형물을 유지시키기에 필요한 양으로 결정되어야 한다. 일부의 입상 활성탄소를 교체한 후, 유출물은 조업자가 필수 제거 효율이 회복되는지를 결정하기 위하여 모니터링 되어야 한다. 또한, 교체는 조업자의 조업 경험에 기초하여 이루어질 수 있다.
대안의 구체예에서, 입상 활성탄소가 혼합액의 제거를 최소화하면서 스크리닝으로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, 스크리닝이 회전 드럼 스크린을 포함하는 시스템에서, 탄소의 과립이 긁혀나가 입상 활성탄소의 일부가 제거될 수 있고, 추가의 새로운 입상 활성탄소가 필요한 대로 혼입될 수 있다.
적절한 입상 활성탄소 과립 크기가 처리될 특정 폐수의 요구에 따라 선택된 스크리닝/분리 방법을 보완하도록 사용될 수 있다. 특정한 바람직한 구체예에서, 입상 활성탄소의 효과적인 입상 크기의 하한은 막이 위치하는 막 조업 시스템 탱크(들)에 들어가는 혼합액의 흐름으로부터 과립을 쉽게 제거하도록 선택된다. 일반적으로, 입상 활성탄소의 효과적인 입상 크기는 약 0.3 밀리미터의 하한을 가지고, 여기서 99.5 중량% 초과의 탄소가 하한을 넘고; 바람직하게는 약 0.3 밀리미터의 하한에서 약 2 밀리미터의 상한(미국 표준 체 시리즈(United States Standard Sieve Series)에 기초하여 메쉬 크기 8 내지 메쉬 크기 40에 대응함)을 가지고, 여기서 99.5 중량% 초과의 탄소가 하한과 상한의 범위 내에 있고; 특정한 바람직한 구체예에서 약 0.5 밀리미터 내지 약 1.4 밀리미터(미국 표준체 시리즈에 기초하여 메쉬 크기 14 내지 메쉬 크기 35에 대응함)를 가지고, 여기서 99.5 중량% 초과의 탄소가 하한과 상한의 범위 내에 있다. 약 0.5 밀리미터 내지 약 0.6 밀리미터의 최소 효과적인 입상 크기를 가지는 입상 활성탄소가 적절한 분리 시스템을 사용하여 혼합액으로부터 쉽게 스크리닝될 수 있으며 또한 적절한 밀도의 입상 활성탄소의 이러한 유효 크기가 경제적으로 실행 가능한 조업 상태에서 부유액에 유지될 수 있음이 증명되었다.
더 작은 과립 크기의 입상 활성탄소는 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기물 또는 무기물의 흡착을 위한 입상 활성탄소의 파운드당 이용 가능 면적이 더 넓어지게 한다. 뿐만 아니라, 입상 활성탄소의 더 작은 과립 크기는 혼합액에서의 부유를 용이하게 한다 (더 낮은 에너지 비용을 야기함). 그러나 입상 활성탄소의 더 작은 과립 크기는 또한 더욱 제한적인 스크리닝 요건을 야기하고, 폭기 탱크로부터 나와 통과하는 작은 입자에 의한 오염 및 마모에 의해 막을 손상시킬 가능성을 증가시킨다.
반면에, 더 큰 입자 크기의 입상 활성탄소는 제거하기가 더 용이한 입상 활성탄소 및 막의 영구적인 오염과 마모를 잠재적으로 감소시킨다. 그러나, 입상 활성탄소를 부유액에 유지시키기 위해 필요한 에너지는, 탄소의 밀도에 따라서 입상 활성탄소 효과적인 입상 크기의 증가와 함께 증가한다. 게다가, 감소된 표면적(중량 기준으로) 에 대한 적응을 위하여, 특정 폐수 공급물에 따라 더 높은 농도의 입상 활성탄소가 사용될 수 있다. 적절한 과립 크기는 궁극적으로 원하는 시스템 조업 비용에 의거하여 결정될 수 있고, 여기서 입상 활성탄소를 부유액에 유지시키는 비용이 과립 크기와 밀도에 따라 매우 크게 변동할 수 있다.
혼합액이 폭기 탱크(102)에서 폭기되고 입상 활성탄소에 의하여 처리된 후, 이렇게 가공된 혼합액은 정밀 스크린 또는 분리기 서브시스템(122)을 통과하고, 막 조업 시스템 탱크(104)로 이동한다. 정밀 스크린 또는 분리기 서브시스템(122)은 입상 활성탄소가 막 조업 시스템 탱크(104)를 통과하는 것을 방지한다. 본 방법 및 시스템은 (예를 들어, 혼합액 내) 입상 활성탄소를 여과하고 이를 폭기 탱크에서 유지시켜, 입상 활성탄소에 의한 막 조업 시스템 탱크 막의 오염 및/또는 마모 가능성을 최소화하거나 제거한다.
막 조업 시스템 탱크(104)는, 막 조업 시스템 탱크(104)에서 혼합액 중의 생물체 및 다른 임의의 고형물을 유출물(112)로부터 여과하기 위한 여과막을 포함한다. 당업자에게 알려진, 중공사막(hollow fiber membrane) 또는 다른 적절한 구성의 형태일 수 있는 이러한 막은 일반적으로 매우 값이 비싸며, 손상으로부터 막을 보호하여 내용연수를 연장하는 것이 매우 바람직하다. 본 발명의 방법 및 시스템에서는, 정밀 스크린(122a 및/또는 122b)이 막 조업 시스템 탱크(104)에 들어가는 입상 활성탄소 및 다른 과립과 입자를 실질적으로 감소시키거나 제거하기 때문에, 막 조업 시스템 탱크 및 그 내부의 막의 수명이 연장된다.
출구(112)는 막 조업 시스템 탱크(104)로부터 여과된 유출물을 수송한다. 반송 활성슬러지 라인(114)은 폐수 공급물 흐름의 추가 가공(processing)을 위하여, 막 조업 시스템 탱크(104)로부터 폭기 탱크(102)로 반송 활성슬러지 흐름을 수송한다. 과잉 슬러지는 일반적인 막 생물반응기와 마찬가지로 폐기물 라인(118)을 통하여 시스템으로부터 폐기된다.
도 2는 통상적인 생물학적 탈질작용(denitrification) 조업을 이용하는 막 생물반응기 시스템(200)의 대안 구체예를 나타낸다. 또한, 특정 폐수 처리 요구에 의하여 필요한 다른 특화된 생물학적 또는 화학적 처리 시스템은 생물학적 폐수 처리에 대한 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 시스템에 적절한 변형을 가하여 본 발명을 이용할 수 있다. 도 2의 구체예는 도 1의 구체예와 유사하고, 산소결핍(무산소) 섹션(202)이 추가되어 있다. 메탄올 또는 폐수 자체의 생화학적 산소요구량 함유물과 같은 간단한 유기 탄소원이 탈질작용 과정을 위한 양분을 제공한다. 폐수는 산소결핍 섹션(202)에 도입되는데, 산소결핍 섹션은 폭기 탱크(102)와 유체 연통(fluid communication)한다. 또한, 반송 활성슬러지 흐름 라인(114)은 추가 가공을 위하여 반송 활성슬러지 흐름을 막 조업 시스템 탱크(104)로부터 산소결핍 섹션(202)으로 수송한다. 도 1에 기재된 시스템에서와 같이, 입상 활성탄소가 시스템에 첨가될 수 있는 여러 위치(130a, 130b, 130c, 130d 및 130e)가 있다. 바람직한 구체예에서, 입상 활성탄소가 위치 (130b)에서 첨가된다. 다른 모든 잠재적인 입상 활성탄소 첨가 위치(130a, 130c, 130d 및 130e)에서, 입상 활성탄소를 부유액에 유지시키기 위하여 추가적인 혼합 장치가 산소결핍 영역에 첨가된다. 입상 활성탄소 첨가를 위한 이러한 대체 공급 위치(130a, 130c, 130d 및 130e)를 효과적으로 사용하기 위하여, 폐수가 이러한 혼합의 추가적인 조업 비용을 정당화하기 위하여 (예를 들어, 탈질작용과 관련된 문제와 같은) 어떤 특별한 처리를 요구할 필요가 있을 것이다. 그러므로, 특정한 바람직한 구체예에서, 특정 공정이 입상 활성탄소의 존재를 필요로 하지 않을 경우, 입상 활성탄소가 산소결핍 영역에서 혼합액에 존재하지 않는다.
모든 폐수 처리 공정은 폐수 처리 공정을 고유하게 만드는 개별적인 요구를 가진다. 그러므로, 입상 활성탄소의 첨가를 위한 최적 위치(들)은 특별한 적용의 요구에 기초하여 결정되어야 한다. 본 발명은 도 1 및 도 2에 기재한 것으로 한정되지 않으며, 상이한 유형의 산업폐수 및/또는 유성 폐수 처리 시설이 설비될 수 있다.
정밀 스크리닝이 제거하기 위해 설계된 입상 활성탄소의 크기 및 과립 크기는 막 조업 시스템 탱크(들)에 들어가는 입상 활성탄소 및 탄소 미분의 양을 최소화하도록 최적화된다. 그러므로, 본 발명의 방법 및 시스템은 막에 침범한 탄소 과립 또는 입자에 의한 마모와 오염을 최소화하면서, 여전히 활성탄소의 사용과 관련된 조업상의 장점을 제공한다.
혼합액의 입상 활성탄소 농도는 일반적으로, 기관의 배출 요건을 충족하도록 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기 화합물 또는 무기 화합물의 특정한 조합을 처리하기 위하여, 특정한 시스템 파라미터 및 폐수에 기초하여 결정된다. 테스트는 전형적인 혼합액에 부유하는 고형물 농도(사용되는 특정한 막 생물반응기 구성에 대한 일반적인 범위) 및 (총 혼합액에 부유하는 고형물 농도의) 약 20%의 입상 활성탄소 농도의 막 생물반응기 조업이 스크리닝 시스템에서 오염 문제를 발생시키지 않고 폐수 공급물에 존재하는 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기 화합물을 제거하기에 충분했음을 나타냈다. 유출물에서 일반적인 농도보다 더 높은 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기 화합물 또는 무기 화합물의 농도를 초래하는 공정 조업이상에 대한 안전성에 대한 추가적 여유를 제공하기 위하여, 더 높은 농도의 입상 활성탄소가 첨가될 수 있다. 이러한 추가적인 입상 활성탄소는 증가된 스크리닝 요건을 초래할 것임을 밝힌다. 이용 가능하며 여전히 요구되는 유출물 품질을 달성할 수 있는 입상 활성탄소의 최저 농도는 특정 시스템 및 공정에 대하여 적절한 것으로 간주되는 공정 조업이상에 대한 안전성 수준에 기초하여 실험적으로 결정될 수 있다.
유기 물질 및 무기 물질(생물학적으로 불응성, 생-억제성 등)을 흡착하고 부유 매체 막 생물반응기를 제공하기 위하여, 막 조업 시스템 탱크의 상류에서 입상 활성탄소를 사용하는 본 발명은, 상이한 여러 구성에 적용될 수 있다. 또한, 폭기 탱크에서 입상 활성탄소를 유지시키기 위하여 다양한 분리 장치가 사용될 수 있다. 당업자에게 상이한 시스템은 폐수 및 시설이 설치될 지역의 개별적인 특징에 기초하여 상이한 경제적 이점을 가질 것임이 이해될 것이다.
최적 처리 조건을 생성하기 위하여 제어되는 요인에는 크기, 형태, 경도, 비중을 포함하는 입상 활성탄소의 유형, 침전 속도, (입상 활성탄소를 부유 매체로서 유지시키기 위한) 혼합액 중의 과립 부유액에 대한 필수 공기 흐름 (또는 다른 부유액 요구), 탄소의 원천 및 탄소원의 처리, 스크린 바 간격 또는 틈 크기 및 구멍 배열, 혼합액에서 입상 활성탄소의 농도, 혼합액 휘발물에 부유하는 고형물의 농도, 혼합액에 부유하는 고형물의 총 농도, 막 조업 시스템 탱크에 들어가는 혼합액의 유속으로 나눈 반송 활성슬러지 유속의 비율, 수리학적 체류시간 및 슬러지 체류시간이 포함된다. 이러한 최적화는, 혼합액에서 부유하는 입상 활성탄소에 의한 생물학적 산소요구량 화합물 (BOD5), 생-억제성 화합물, 무기 화합물 및 세포외 고분자 물질을 용이하게 분해하는, 입상 활성탄소에 의한 폐수 중의 생물학적으로 불응성인 유기물 흡착, 및 일부의 생물학적으로 불응성인 유기물의 흡착을 제공한다.
에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), 디-n-부틸 프탈레이트, 2,4-디니트로페놀, 2,4-디니트로톨루엔, 메틸 터셔리 부틸 에테르(MTBE)와 같은 생물학적으로 불응성인 공지의 일부 화합물, 및 규명되지 않은 화학적 산소요구량 화합물을 유효량 제거하는 것으로 확정된 특히 적절한 유형의 입상 활성탄소에는, 약 0.5 밀리미터 내지 약 0.6 밀리미터의 유효 입자 크기를 가지고 (20℃ 물에서) 약 1.05 내지 약 1.10의 비중을 가지는 입상 활성탄소가 포함된다. 더욱이, 원하는 입상 활성탄소는 상호충돌(inter-collision)로 인한 미분 및 다른 미립자의 생성을 최소화하는 경도 수준을 가진다. 본 발명과 함께 사용하기에 특히 유용한 입상 활성탄소에는 목재, 코코넛, 바가스(bagasse), 톱밥, 이탄(peat), 펄프공업 폐기물(pulp mill waste), 또는 다른 셀룰로오스 유도 물질로부터 수득한 입상 활성탄소가 포함된다. 한 적절한 예는 14×35의 공칭 메쉬 크기(미국 표준 체 시리즈에 기초함)를 가지는 MeadWestvaco Nuchar® WV B이다.
활성탄소의 과립은 혼합액 중의 미생물이 부착할 수 있는 흡착 부위를 제공하고, 비례적으로 더 긴 수리학적 체류시간 및 슬러지 체류시간을 필요로 하지 않으면서 더 높은 유기물 제거 효율을 제공한다. 이러한 흡착 부위는 초기에 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 유기 화합물 및 무기 화합물에 대한 흡착 부위 역할을 한다. 앞에서 논의한 바와 같이, 결국 폐수 중의 특정 화합물에 순응한 미생물이 발생하고 성숙하여 생분해를 증가시킬 것이다. 이는 생물학적으로 불응성인 화합물의 생분해를 포함하는데, 상기 화합물이 전형적인 폭기 탱크 체류시간보다 더 오래 입상 활성탄소의 공극에 유지될 수 있기 때문이다. 게다가, 또한 특정 생-억제성 화합물이 또한 성숙한 미생물에 대한 노출 시간 증가로 인하여 실제로 분해될 수 있다.
이러한 공정 및 시스템의 현저하게 개선된, 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기 화합물 및 무기 화합물의 제거는, 입상 활성탄소 흡착, 부유 매체 생물학적 폐수 처리, 부착된 성장/고정된 막 생물학적 폐수 처리 및 막 생물반응기 폐수 처리 기술을 포함하지만 이들로 한정되지 않는 이러한 기술의 여러 특성의 조합의 결과이다. 본 발명의 공정 및 시스템에서, 막 생물반응기의 막 조업 시스템에 들어가는 혼합액으로부터 분리되는 입상 활성탄소의 사용은, 건설, 조업 및 유지가 단순하고 비용이 적게 드는 폐수 처리 시스템에서 실현될 이러한 처리 기술의 모든 장점을 허용한다.
본 발명 장치의 이점은 입상 활성탄소에 의한 폐수 중의 생물학적으로 불응성인 유기물의 흡착이 생물학적으로 불응성인 유기물을 소화시키기 위한 혼합액 중의 미생물 첨가 시간을 가능한 한 짧은 수리학적 체류시간 및 슬러지 체류시간이 되도록 한다는 점이다. 혼합액 고형물 농도가 너무 높아 특정한 막 생물반응기 시스템의 조업을 중단시키는 지점까지 슬러지가 증가할 때, 폐기물 활성슬러지와 함께 장치로부터 슬러지가 배출된다.
상기 시스템 및 방법의 또 다른 이점은, 일부의 생물학적으로 불응성인 유기물, 생-억제성 화합물 및 무기 화합물의 혼합액에 부유하는 입상 활성탄소에 의한 흡착이다. 흡착은, 과잉 혼합액을 반송 활성슬러지 라인보다는 폭기 탱크로부터 폐기물 활성슬러지와 함께 폐기하여 (폐기물 포트(116)), 장치로부터 이러한 화합물을 제거하는 것을 허용하고 (필요할 경우), 이는 배출물 중의 불응성인 유기물, 생-억제성 및 무기 화합물의 더 낮은 농도 및 막 생물반응기의 더 안정한 생물체량을 야기한다.
본 발명 장치의 또 다른 이점은 입상 활성탄소에 의한 혼합액 중의 세포외 고분자 물질의 흡착이다. 이러한 물질의 흡착은 감소된 막의 오염률, 감소된 시간에 따른 막통과(trans-membrane) 압력강하 증가율, 감소된 거품형성 경향 및 일반적으로 더욱 안정한 막 생물반응기 조업을 유발한다. 개선된 시스템 및 공정의 이러한 특성은 공중폐수 막 생물반응기 및 유성 폐수 및/또는 산업폐수 막 생물반응기에 장점을 제공하면서 이용될 수 있다.
본 발명 장치의 또 다른 이점은 혼합액에 부유하는 고형물 중의 미생물이 부착할 수 있는 부위를 제공하는 것이다. 이러한 공정 양태는 조업이상 조건에 대하여 더욱 탄력적인, 혼합액 휘발물에 부유하는 고형물 흐름을 생성하고, 유사한 수리학적 체류시간 및 슬러지 체류시간으로 조업되는 비-입상 활성탄소 강화(enhanced) 막 생물반응기와 비교하여, 폐수에 존재하는 유기물의 증대된 생분해를 허용한다. 입상 활성탄소의 공극 공간 내부의 미생물원은, 혼합액에서 자유롭게 떠다니는 생존 가능한 미생물의 일부 손실을 야기하는 상류 공정 조업이상의 경우에, 종자 박테리아의 공급원 역할을 한다. 시스템에 대한 열충격의 경우, 통상적인 시스템에서는 특정한 박테리아를 사멸시키나, 공극 공간 내의 일부의 미생물이 살아남을 수 있고, 따라서 입상 활성탄소가 없는 통상적인 시스템과 비교하여 단지 약간의 회복시간이 필요할 수 있다. 예를 들어, 박테리아가 중온성이고(mesophilic) 상승된 온도로 인한 열충격을 받은 시스템에서, 입상 활성탄소는 공극 위치 내의 일부의 박테리아가 살아남도록 할 수 있다. 마찬가지로, 박테리아가 호열성이고(thermophilic) 감소된 온도로 인한 열충격을 받은 시스템에서, 입상 활성탄소는 공극 위치 내의 일부의 박테리아가 살아남도록 할 수 있다. 이러한 두 가지 상황에서, 재순응을 위한 배양에 필요한 시간이 크게 감소될 수 있다.
본 발명의 장치의 또 다른 이점은 비례적으로 더 긴 수리학적 체류시간 및 슬러지 체류시간을 필요로 하지 않는 유기물의 높은 제거 효율이다. 이는 막 생물반응기에서 조업상의 문제를 초래할 수 있는 세포외 고분자 물질의 발생을 감소시킨다.
앞에서 규명한 다섯 가지 이점의 조합은 폐수 공급물에 대한 혼합액의 더 빠른 순응을 일으키고, 막의 오염을 감소시키며, 공급 농도 및 유속 변화에 대한 내성을 개선하고, 더 적은 오일 특성을 가지며 더 빠르게 탈수될 수 있는 취급하기 더 용이한 슬러지, 및 통상적인 막 생물반응기 장치로부터 수득될 수 있는 것보다 더 낮은 농도의 유기 불순물 및 무기 불순물을 가지는 유출물을 생성할 것이다.
분말화된 활성탄소 대신 입상 활성탄소를 사용하는 것은 분말화된 활성탄소 막 생물반응기 테스트에서 문제점으로 규명된 막오염과 마모를 제거한다.
비록 분말화된 활성탄소 대신 입상 활성탄소를 사용하는 것이 중량 기준으로 탄소의 효율적인 사용을 제공하지는 않지만, 탄소가 혼합액으로부터 여과되도록 하고 막을 손상시키는 마모와 오염을 제거한다. 그러나 분말화된 활성탄소 대신 입상 활성탄소를 사용한 것의 결과로서 감소된 흡착 효율의 영향은 전체 활성탄소-강화 막 생물반응기 장치의 효능에 현저하게 영향을 미치지 않는다.
테스트는 생물학적으로 불응성인 유기물 제거의 주요 메커니즘이 분말화된 활성탄소 강화 장치 중의 미생물에 노출되는 불응성인 유기물의 체류시간 증가와 관련이 있음을 나타냈다. 입상 활성탄소에 흡착된 혼합액 휘발물에 부유하는 고형물 중의 미생물이 불응성 및 비-불응성 유기물을 소화하기 위한 시간이 더 길다. 증가된 생분해를 위한 체류시간은 막 생물반응기 유출물 중의 생물학적으로 불응성 및 비-불응성 유기물 농도 감소의 주요인인 것으로 나타났으며, 원하는 결과를 얻기 위하여 분말화된 활성탄소의 더 높은 흡착 효율이 요구되지 않는다.
탄소-보조된 막 생물반응기 중의 입상 활성탄소는 불응성인 유기물 및 세포외 고분자 화합물의 제거를 향상시킴에 있어서 분말화된 활성탄소 강화 막 생물반응기와 마찬가지로, 또는 더욱 잘 작용한다. 또한 입상 활성탄소는 더 큰 크기로 인하여 막 조업 시스템 탱크(들)에 들어가는 혼합액으로부터 효과적으로 여과될 수 있다. 분말화된 활성탄소를 사용하는 경우 일어나는 마모는 본 발명에 따라 입상 활성탄소를 사용하여 제거되거나 매우 현저하게 감소될 수 있다.
막 생물반응기에서 분말화된 활성탄소 입자를 사용하는 것이 입상 활성탄소 시스템에 대하여 상기한 것과 동일한 장점 중 일부를 나타내기는 하지만, 막 조업 시스템 탱크(들)에서 관찰된 분말화된 활성탄소 입자로 인한 막 마모는 허용할 수 없는데, 왜냐하면 막의 내용연수가 허용할 수 없는 수준, 예를 들어 전형적인 막 보증기간보다 훨씬 더 낮은 수준까지 감소될 수 있기 때문이다. 막 생물반응기 시스템의 총 비용 중 상당 부분을 막의 비용이 차지하기 때문에, 막의 내용연수는 막 생물반응기 시스템의 조업 비용에서 중요한 인자이다.
실시예
약 1,000 갤런의 용량(파일럿 규모)의 산소결핍 섹션을 구비한 폭기 탱크 및 상용의 막 생물반응기 시스템에 상당하는 막 조업 시스템을 가지는, 파일럿 규모의 프로그래밍 가능한 논리 제어 막 생물반응기 시스템(미국, 위스콘신, 로스차일드 소재의 Petro™ MBR Pilot Unit available from Siemens Water Technologies)이, 본 발명에 기재한 입상 활성탄소 첨가에 적합하도록 변형되었다. 웨지 스크린이 혼합액을 폭기 탱크로부터 막 조업 시스템으로 옮기는 펌프의 입구에 위치되었다.
기본 합성 공급원료가 다음 농도의 유기/무기 물질을 보유하는 물을 포함했다: 48 그램/리터의 아세트산 소듐; 리터당 16 그램의 에틸렌 글리콜; 리터당 29 그램의 메탄올; 리터당 1.9 그램의 수산화 암모늄; 및 리터당 0.89 그램의 인산. 수산화 암모늄 및 인산은 막 생물반응기 시스템 내의 박테리아를 위한 적절한 영양 균형을 위한 원천이었다.
고농도의 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기 화합물을 보유하는 샘플 정제 혼합물이 준비되었다. 구체적으로 샘플 정제 혼합물은 다음 농도의 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 유기 화합물을 함유했다: 90 밀리그램/리터의 EDTA; 30 밀리그램/리터의 디-n-부틸 프탈레이트, 120 밀리그램/리터의 2,4-디니트로페놀, 21 mg/L의 2,4-디니트로톨루엔 및 75 밀리그램/리터의 MTBE. 상기 정제 혼합물은 산소결핍 탱크에 공급되었다.
기준치를 구하기 위하여 막 생물반응기가 처음에 입상 활성탄소 없이 조업되었다. 입상 활성탄소를 첨가하기 전에, 유출물 중의 단지 약 92%의 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 유기 화학적 산소요구량(COD) 화합물이 제거되며, 막 생물반응기가 완전히 적응하는 것과 같은 장기간의 생-순응 후에는, 약 8%의 상기 화합물(COD로서 측정됨)이 유출물에 들어감을 허용하는 것으로 측정되었다.
입상 활성탄소의 효능을 측정하기 위하여, 14×35의 공칭 메쉬 크기(미국 표준 체 시리즈 기준)를 가지는 3800 그램의 MeadWestvaco Nuchar® WV B가 폭기 탱크에 첨가되었고, 폭기 탱크로의 송풍기 공급 공기는 75 분당 표준 세제곱 피트(standard cubic feet per minute (SCFM))로 폭기 탱크에 공급되도록 조정되었다. 폭기 탱크에 첨가되는 입상 활성탄소의 양은 유닛 중의 혼합액에 부유하는 고형물의 20 퍼센트를 기준으로 했고, 이는 리터당 약 5000 밀리그램으로 측정되었다.
입상 활성탄소의 순응(acclimation) 후, 총 막 조업 시스템 유출물은 4% 미만이었고, 따라서 96% 초과의 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 유기 화합물 제거를 달성하였는데, 이는 COD로서 측정되었다. 도 3은 막 생물반응기 시스템의 다양한 단계에서 생물학적으로 불응성 및 생-억제성 화합물의 공급 농도(리터당 밀리그램) 및 잔류하는 유출 농도(원래에 대한 백분율)를 나타내는 도표이다. 특히, 도 3은 입상 활성탄소(GAC)의 첨가 전, 순응 기간 동안, 및 순응 후의 유출 농도 간의 비교를 나타낸다. 입상 활성탄소가 시스템에 첨가되면, 매우 현저한 유출물 COD 농도 초기 강하가 일어나는데, 이는 입상 활성탄소의 흡착용량이 하루 미만에 고갈되기 때문에 도 3에 나타나지 않고, 그 후 탄소의 흡착용량이 고갈되고 탄소 및 생물체량이 함께 작용하여 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 유기 화합물 소화를 시작한 후 약 6.5% 증가했고, 이들은 COD로서 측정되었다. 박테리아가 입상 활성탄소의 표면에 완전히 자리잡은 후 (전자 현미경 평가로 확인되었음) 부착된 성장/고정된 막 시스템의 이점이 명백했다. 유출물 중의 잔류 COD는 공급물 COD의 4% 미만으로 강하하고, 생물학적으로 불응성이거나 생-억제성인 유기 화합물의 고농축된 공급물에 대하여 96% 초과의 COD 제거 효율을 제공한다.
본 발명의 방법 및 장치의 사용은 탄소를 막 조업 시스템 탱크(들) 밖에 유지시켜 막힘과 마모를 제거한다. 더 큰 크기의 탄소 과립의 사용에 의하여, 탄소 과립 스크리닝 및/또는 분리가 가능하다. 반면에, 더 작은 크기의 분말화된 활성탄소는 혼합액으로부터의 효과적인 여과를 막는다.
본 발명의 방법 및 장치는 상기 및 첨부 도면에서 상세히 설명되었지만; 당업자에게 변형이 명백할 것이고, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 한정된다.

Claims (20)

  1. 폐기물 배출부를 포함하는 산업폐수 흐름을 폭기하기 위한 폭기 탱크;
    상기 폭기 탱크로 입상 활성탄소를 도입하기 위한 상기 폭기 탱크에 연관된 하나 이상의 입상 활성탄소의 유입부;
    상기 폭기 탱크에서 폭기된 입상 활성탄소의 부유액(suspension);
    상기 폭기 탱크의 하류에 위치하는 하나 이상의 막을 포함하며 폭기 탱크로부터 혼합액을 수용 및 처리된 유출물을 배출하는 막 조업 시스템 탱크; 및
    혼합액이 있는 상기 폭기 탱크에 유지시키기 위한, 상기 폭기 탱크에 상기 입상 활성탄소를 위치된 정밀 스크린 또는 분리 서브시스템을 포함하며,
    여기서, 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 화합물을 제거하기 위한 상기 입상 활성탄소의 효능이 시스템 요건과 연관된 허용 수준에 근접하는 수준으로 감소되는 경우, 폐기물 배출부는 상기 폭기 탱크로부터 상기 입상 활성탄소를 제거하기 위하여 작동 가능한 것을 특징으로 하는, 처리된 유출물(effluent)에 존재하는 생물학적으로 불응성(refractory) 및/또는 생-억제성(bio-inhibitory) 화합물의 농도를 감소시키기 위한, 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 입상 활성탄소 유입부 중 적어도 하나는 폭기 탱크와 직접 연통(communication), 또는 막 조업 시스템 탱크로부터 배출되는 반송 활성슬러지 흐름과 연통하는 폭기 탱크의 상류인 것을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 적어도 약 0.3 밀리미터의 효과적인 과립(effective granule) 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 약 0.5 밀리미터 내지 약 1.4 밀리미터의 효과적인 과립 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 폐수 흐름으로부터 생물학적으로 불응성인 유기물, 생-억제성 화합물 및 무기 화합물을 흡착함을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폭기 탱크는 탈질작용(denitrification) 섹션을 포함함을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 탈질작용 섹션으로부터 분리된 폭기 탱크에서 유지됨을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 미생물을 부착시키고, 폐수 흐름 중의 생물학적으로 불응성인 화합물을 소화시키기 위한 추가 미생물을 발생시키는 공극 공간(pore space)을 가지는 것을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 산업폐수는 유성 폐수임을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입상 활성탄소의 비중(specific gravity)이 20℃의 물에서 약 1.05 내지 약 1.10인 것을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 과립의 상호충돌에 의하여 야기되는 미분(fines) 및 그 밖의 미립자의 생성을 최소화하는 경도 수준을 가지는 것을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 목재, 코코넛, 바가스(bagasse), 톱밥, 이탄(peat), 펄프 분쇄 폐기물(pulp mill waste), 및 그 밖의 셀룰로오스 유도 물질로 이루어진 군에서 선택되는 물질로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 막 생물반응기 산업폐수 처리 시스템.
  13. 혼합액을 생성하기 위하여 폐수 흐름을 종자 박테리아 배양균(seed bacteria culture)과 함께 폭기 탱크에 도입하는 단계;
    입상 활성탄소를 상기 폭기 탱크에 도입하는 단계;
    상기 입상 활성탄소를 상기 폭기 탱크 내의 부유액에 유지시키는 단계;
    상기 입상 활성 화합물에 의하여 흡착되는 생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 화합물을 처리하기에 효과적인, 상기 입상 활성탄소의 공극 내의 성숙한 미생물을 발생시키기에 충분한 기간 동안, 상기 입상 활성탄소를 상기 폭기 탱크에 잔존시키는 단계; 및
    실질적으로 입상 활성탄소가 없는 상기 폭기 탱크로부터 막 조업 시스템 탱크로 혼합액 유출물을 통과시키는 단계를 포함하는
    생물학적으로 불응성 및/또는 생-억제성 화합물을 함유하는 산업폐수 흐름을 정제하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 폭기 탱크로부터 배출된 혼합액을 스크리닝하여 폭기 탱크에 유지되거나 잔존되는 것을 특징으로 하는 정제 공정.
  15. 제13항에 있어서, 입상 활성탄소의 효능이 허용 요건 수준에 근접하는 수준까지 감소되는 경우, 폭기 탱크로부터 입상 활성탄소의 일부를 소모하는 단계, 및 더욱 큰 흡착용량을 가지는 추가적인 입상 활성탄소를 폭기 탱크에 도입하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 정제 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 입상 활성탄소의 일부를 소모하는 단계가 입상 활성탄소를 함유하는 혼합액을 소모하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 정제 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입상 활성탄소의 비중은 20℃ 물에서 약 1.05 내지 1.10인 것을 특징으로 하는 정제 방법.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 과립의 상호충돌에 의하여 야기되는 미분 및 다른 미립자의 생성을 최소화하는 경도 수준을 가짐을 특징으로 하는 정제 방법.
  19. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입상 활성탄소는 목재, 코코넛, 바가스, 톱밥, 이탄, 펄프 분쇄 폐기물, 및 그 밖의 셀룰로오스 유도 물질로 이루어진 군에서 선택되는 물질로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 정제 방법.
  20. 상기 산업폐수 흐름은 막 생물반응기에 의하여 가공되며,
    입상 활성탄소를 막 생물반응기의 폭기 탱크에 수용된 혼합액에 부유시키는 단계, 및
    상기 입상 활성탄소를 상기 폭기 탱크에 잔존시키기 위하여, 혼합액이 상기 폭기 탱크 하류의 막 조업 시스템의 막과 접촉하기 전에, 상기 혼합액을 스크린 또는 분리 시스템에 통과시키는 단계를 포함하며,
    여기서 상기 혼합액에는 막을 마모시킬 수 있는 입상 활성탄소가 실질적으로 존재하지 않는, 산업폐수 흐름을 처리하기 위한 방법.
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