KR20110023436A - Ｓｎｄ를 적용한 ｍｂｒ 반응조에서 하수고도처리 시스템 - Google Patents

Abstract

침지형 막(membrane)을 이용하여 생물학적 처리를 통한 생활하수의 고도처리 공정이 개시된다. 본 발명에 의하면 MBR 모듈이 일측에 설치되고 타측에는 교반장치가 설치되는 MBR 반응조와, 상기 MBR 반응조의 MBR 모듈로 산소를 공급하기 위해 공기유량계를 통해 산소를 공급하기 위한 블로워와, 상기 MBR 반응조로부터 압력게이지와 흡입펌프를 통해 유출수를 받기 위한 유출수통과, 상기 유출수통으로부터의 유출수를 상기 MBR 반응조로 역류시킬 수 있는 역류펌프로 구성되는 하수고도처리시스템을 제공하므로서 그 목적이 달성된다.

Description

ＳＮＤ를 적용한 ＭＢＲ 반응조에서 하수고도처리 시스템{Advanced Sewage Treatment System by MBR using SND}

본 발명은 침지형 막(membrane)을 이용하여 생물학적 처리를 통해 생활하수의 고도처리 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MBR(Membrane Bio-reactor) 단일 반응조에서 동시 질산화·탈질(Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND) 반응을 적용하여 하수의 유기물 및 질소를 제거하기 위한 하수고도처리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 동시 질산화·탈질 반응은 플록(floc) 내 용존산소 농도 구배에 따라 호기영역과 무산소영역이 존재하게 되면서 질화작용물질(nitrifiers)과 탈질화작용물질(denitrifiers)이 반응조 내 함께 공존하여 질소가 제거 되는 것을 말한다(Metcalf & Eddy, 2004). 또한 이러한 반응은 실험을 통해 실제 호기조 안에서 관찰되었다(Rittmann and Langeland, 1985).

질소제거 반응을 위해서는 보통 질산화를 위한 호기조와 탈질 반응이 일어나기 위한 무산소조로 따로 구분하여 설계하나(Wiesmann, 1994) 동시 질산화·탈질(SND) 반응을 적용할 경우 무산소조, 호기조를 구분하여 구성하지 않고 단일 반 응조 내에서 질소 제거가 가능하여 하수처리장 부지면적과 소요되는 산소 공급량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다(Munch, 1996). 또한, 유기 탄소원의 사용을 22 ∼ 40%까지 절약할 수 있으며(Turk and Mavinic, 1987), 질산화가 일어나면서 알칼리도(alkalinity)를 소비하는 반면 탈질 반응이 일어나면서 알칼리도가 생성되므로 반응조 내 pH 조절이 필요가 없다(Chang and Tseng, 1999).

이러한 동시 질산화·탈질 반응에서는 반응조 내 용존산소(DO)농도, 플록크기(floc size), 플록밀도(floc density) 그리고 효과적인 탈질이 일어나기 위한 적절한 C/N비가 중요한 영향 인자로 작용한다.

인(P)제거를 위한 통상의 처리방법인 혐기-호기 조건에서의 생물학적 인 제거 대사과정은 비교적 오랜 연구를 통해 자주 제안되고 평가되어왔다(Stephen, 1986). 이는 미생물 대사 요구량을 초과하여 과량의 인을 축적하는 PAOs(Phosphorus accumulating organisms)의 생물학적 특성을 이용하는 것이다.

일반적으로 알려진 인 제거의 각 과정을 요약하면 다음과 같다. 먼저 인제거 공정에서 활성화된 PAOs가 혐기조건에서 유입수에 함유된 유기물을 세포 내에 PHB(Poly-β-hydroxybutyrate) 형태로 저장하고 이에 필요한 에너지는 폴리-포스페이트(poly-phosphate)를 가수분해하여 이용한다. 혐기과정을 거친 미생물은 호기조건을 거치면서 세포 내에 저장된 유기물(PHB)이 분해하여 얻어진 에너지로 혐기조건에서 내놓은 인의 양보다 과잉의 인을 섭취하여 Poly-P granules 형태로 세포 내에 축적한다(Meinhold, 1999).

반면, 최근 들어 질산염이 존재하는 무산소 조건에서도 인의 흡수가 관찰되 면서 탈질인축적(DNPAOs) 미생물에 대한 관심이 증가하였다.

탈질인축적 미생물이 질산염을 이용하여 인을 섭취한다는 것은 외부 탄소원이 아닌 내부에 저장된 PHA를 가지고 인과 질소를 동시에 제거할 수 있다는 뜻이 된다. 이는 도시 하수의 질소와 인제거를 위해 유입 유기탄소원이 부족할 경우에 적합할 수 있으며, 탈질인축적 미생물을 생물학적 처리공정에 도입하여 외부 유기탄소원의 절감을 가져올 수 있고, 슬러지 생산량과 산소요구량을 감소시킬 수 있을 것이다(Ahn, 2001). 이러한 탈질인축적 미생물이 공정내에서 거동을 하는데 있어서 가장 웅요한 영향인자는 반응조 내 NO₃ ^--N의 부하량이라고 보고 되고 있다(Zhi-rong Hu, 2002).

분리막(membrane) 모듈은 막 여과에 의한 고·액 분리가 이루어지므로 슬러지의 침전성에 관계없이 최종 침전지를 별도로 포함하지 않는 것이 가능하다. 이러한 MBR(Membrane Bio-reactor) 반응조의 특징은 일반적인 생물학적 처리 공정에 비해 SRT를 길게 유지하여 슬러지 배출량을 줄이고 반응조 내 많은 양의 미생물을 확보가 가능하여 질소나 인 제거에 탁월하기 때문에 그 적용이 증가하고 있다(Shin 등, 2007).

일반적으로 하·폐수에는 유기물질뿐만 아니라 질소 및 인을 포함하는 영양염류 성분도 존재한다.

영양염류란 유기물 분해를 일으키는 미생물의 생육과 증식에 필요한 무기성 원소로서, 이들 중 특히 질소 화합물과 인산염은 생물 세포형성과 에너지 대사를 위하여 연속적으로 공급되어야 하는 제한요소이다. 이러한 질소나 인 등의 영양염류가 증가하면 생태계의 균형이 파괴되면서 부영양화 현상이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 부영양화를 근본적으로 방지하기 위해서는 하·폐수 내의 영양염류 성분이 호소나 하천 등의 수역으로 유입되기 전에 제거되어져야 한다.

현재 하수 및 폐수의 고도처리방법으로는 일반적으로 표준 활성슬러지 공법 또는 A/O, A²/O(Anaerobic/Anoxic/Oxic Process), Bardenpho 공법 등의 변형공법이 이용되고 있다. 그리고 최근 관심이 대두되고 있는 분리막(membrane)를 이용한 공법 역시 분리막이 최종 처리 단계로 사용되는 침전조를 대신 할 수 있지만 이와 같은 공법들은 질소(N), 인(P) 제거를 위해 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성되며 내부반송 등을 통해 고도처리가 이루어진다. 따라서 기존 하수처리장시설은 부지면적이 크고, 내부반송 및 최종침전지에서의 반송을 통한 동력비 등의 운전비용이 많이 드는 문제점을 갖고 있다.

또한, 공개특허 제 2002-79029 호에서는 막분리활성슬러지법을 이용한 슬러지 무배출 하폐수 처리공정을 공개하고 있으나, 하폐수 처리에서 질소·인을 제거하기 위해 반응조내에 혐기조·무산소조를 형성해 질소제거를 위한 질산화·탈질반응을 동시 적용할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 생활하수의 유기물 및 고도처리 함에 있어 MBR 단일 반응조에서 동시 질산화·탈질(SND) 반응을 적용하여 유기물 및 질소제거를 위한 하수고도처리 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 고·액 분리가 완벽한 MBR 단일 반응조에서 동시 질산화·탈질(SND) 반응을 적용하여 기존의 하수 고도처리 공정이 가지는 문제점들을 보완하여 보다 컴팩트하면서 하수처리시설의 부지면적을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 송풍량을 줄일 수 있어 운전비 및 동력비 절감이 가능한, 하수고도처리 시스템을 제공하고자 한다.

이는 최근 Zhi-rong와 M.C. Wentzel에 따르면 인축적 미생물(PAOs) 중에 무산소조에서 탈질소화를 일으킬 수 있는 탈질인축적 미생물(DNPAOs)이 존재한다고 보고한 바, 이에 반응조 내 격벽 설치를 통해 무산소영역을 확보하여 영양염류 성분 중의 하나인 인(P) 역시 제거가 가능하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, MBR 모듈이 일측에 설치되고 타측에는 교반장치가 설치되는 MBR 반응조와, 상기 MBR 반응조의 MBR 모듈로 산소를 공급하기 위해 공기유량계를 통해 산소를 공급하기 위한 블로워와, 상기 MBR 반응조로부터 압력게이지와 흡입펌프를 통해 유출수를 받기 위한 유출수 통과, 상기 유출수통으로부터 유출수를 상기 MBR 반응조로 역류시킬 수 있는 펌프로 구성되는 하수고도처리 시스템을 제공한다.

본 발명은 또한 상기 반응조에 격벽을 설치하여 MBR의 일측을 무산소조로 하여 운영할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 동시 질산화·탈질(SND) 방법을 적용한 MBR 호기성 미생물 반응기는 막 분리에 의하여 미생물과 처리수를 거의 완벽하게 분리할 수 있어 기존의 최종 처리 단계인 침전조의 구성을 없앨 수 있으며 안정적인 처리 수질을 확보할 수 있다. 뿐만 아니라 단일 반응조 내 동시 질산화·탈질(SND) 반응을 적용하여 기존의 고도하수처리 공법에 비해 하수처리장 설계 시 무산소조를 없앨 수 있어 부지면적을 감소시키고, 공정이 매우 컴팩트화할 수 있다는 효과를 가진다. 그리고 송풍량을 줄여 운전비 및 동력비를 절감할 수 있어 다른 시스템 공정에 비해 경쟁력까지 가질 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 반응조에 공기 폭기량으로만 유체가 순환할 수 있도록 격벽을 추가 설치하여 무산소영역으로의 특별한 반송장치 없이 탈질인축적(DNPAOs) 미생물을 통한 인(P) 역시 제거가 가능하다.

이하에서는 첨부되는 도면 및 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 동시 질산화·탈질 반응을 적용한 MBR(Membrane Bio-reactor)에서 유 기물 및 질소(N)제거를 위한 하수고도처리 시스템 공정의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 동시 질산화·탈질 반응을 적용한 MBR 반응조에서 반응조 내 격벽을 설치하여 무산소영역에서 인(P)까지 제거가 가능한 하수고도처리 시스템 공정의 개략도를 나타낸 것이다.

도 1에서 원수가 유입(도시하지 않음)되는 MBR 반응조(100) 일측에는 MBR 모듈(200)이 설치되는데 상기 모듈(200)은 원수의 고액분리를 하기 위한 것으로서 최종침전지 역할을 한다. 공기공급은 막오염(flouling)을 방지하기 위해 모듈(200) 아래에서 공급하는데 반응조(100) 일측의 블로워(700)로부터 공기유량계(600)를 통해 공급한다. 상기에서 단위공정의 수리학적 체류시간(HRT)은 6~25시간, 반응조(100)내의 미생물이 머무는 시간은 약 25~35일이 바람직하고 미생물농도는 5000ㅁ500mg/L로 함이 바람직하고, 반응조(100)내의 용존산소(DO) 농도는 1.3~1.6mg/L로 되게 공기를 공급함이 바람직하다. 이들 수치의 한정은 실시예를 통해 최적의 조건을 나타낸 것이다. 물론 상기 반응조(100) 내의 용존산소농도는 공기유량계(600)를 통해 조절한다.

또한 반응조(100) 일측에는 유입원수와 슬러지의 접촉을 원활하게 하기 위해 교반장치(300)를 설치하고, 반응조(100)로부터의 유출수가 통과하는 곳에 압력게이지(400)를 설치하여 반응조(100) 내의 MBR 모듈의 막차압을 확인하여 역세척 주기를 산출할 수 있게 한다. 그 다음에는 흡입펌프(500)를 설치하여 반응조(100)로부터의 유출수가 유출수통(900)으로 흘러들게 하고 유출수통(900) 내로 모인 처리수는 폐기한다.

또한 유출수통(900)에는 라인을 따라 역류펌프(501)를 설치해 이를 통한 라인이 상기 압력게이지(400)의 흡입밸브(500) 반대쪽 라인으로 만나게 한다.

상기에서 흡입펌프(500)는 반응조(100)내의 MBR 모듈(200)을 거친 처리수를 뽑아내는 역할을 하며, 역류펌프(501)는 반응조(100)내의 막의 차압을 압력게이지(400)로부터 확인하여 막이 오염되거나 막힌 경우 흡입펌프(500)를 닫고 역류펌프(501)를 열어 정화된 유출수통내의 유출수를 반응조(100)내의 MBR 모듈로 보내 역세척을 통해 막모듈의 차압을 떨어뜨리는 역할을 하게 된다.

도 2는 반응조(100)내에 격벽(800)이 설치된 모습으로 인(P)을 동시 제거할 수 있게 하는 것이다. 즉 블로워(700)로부터의 공기는 격벽(800)의 MBR 모듈(200)의 하부를 통해 MBR 모듈(200)이 있는 쪽으로만 공급되고 격벽(800)의 타측은 무산소영역이 되어 인을 제거하는데 효과적이 된다.

본 발명에서 질산화·탈질(SND) 반응이 일어날 수 있는 것은 반응조(100)내의 미생물 내부에서는 탈질이 일어나고 외부에서는 질산화가 일어나기 때문이다.

도면에서 화살표는 유출수를 통과시키는 라인이다.

[실시예]

본 실시예에서는 탈질반응에 영향이 없도록 합성폐수의 C/N비가 약 10.5~11.3으로 제조하여 사용하였다.

본 실시예에서 반응조 내 용존산소 농도를 1.3 ∼ 1.6 mg/L로 유지 하였을 때 유기물 제거 및 질소제거 거동에 대해 관찰하였다. 유입 COD_cr 농도는 약 290 ∼ 330 mg/L 정도로 유입되었으며, 반응조 내 유출 COD_cr 평균 농도는 약 2.95 mg/L로 나타났으며, 유기물 제거율은 약 99%로 높은 유기물 제거율을 확인하였다.

표 1. 본 발명을 이용한 유기물 및 질소제거 처리 성과

Parameter		Influent (mg/L)	Effluent (mg/L)	Efficiency (%)
COD Cr		290 ~ 330	2.95	99.0
Nitrogen	NH 4 + -N	25.5 ~ 31.5	0.85	96.90
	TN	26.7 ~ 31.0	7.75	72.92

용존산소 농도가 1.3 ∼ 1.6 mg/L 일때 반응조 내 질소제거 거동을 관찰하였다.

반응조로 유입되는 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)의 농도는 탈질 반응이 일어나기 위해 영향을 미치지 않는 범위의 C/N비를 고려하여 약 25.5 ∼ 30.5 mg/L의 농도로 유입되었으며, 총질소(T-N) 농도는 26.7 ∼ 31.5 mg/L의 농도로 유입되었다.

실험 기간 중 반응조 내 유출 암모니아성 질소의 평균 농도는 0.85 mg/L로 제거율은 96.9%의 암모니아성 질소 제거율을 나타내었다.

총질소의 경우 유출수 평균 농도는 7.75 mg/L로 총질소 제거율은 72.92%의 총질소(T-N) 제거율을 확인하였다(도 3 참조).

또한, 도 2에 나타낸 것처럼 본 발명에서 폭기되는 공기량만으로 반응조 내 유체가 순환할 수 있도록 격벽을 설치하여 무산소 영역에서 질소(N)제거 뿐만 아니라 인(P)제거도 가능하다. 그리고 반응조 내 수리학적 체류시간을 12hr, 6hr 단계 적으로 줄여 효율적이고 컴팩트한 공정을 개발할 수 있을 뿐만 아니라 처리유량을 확보할 수 있다.

도 1은 MBR(Membrane Bio-reactor)에서 동시 질산화·탈질 반응을 적용한 유기물 및 질소제거 하수고도처리 시스템 공정도.

도 2는 본 발명의 MBR(Membrane Bio-reactor)에서 격벽을 설치하여 무산조영역에서 추가적으로 인(P)제거가 가능한 하수고도처리 시스템 공정도.

도 3은 유입원수에 따른 질소제거효율을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : MBR 반응조 200 : MBR 모듈

300 : 교반장치 400 : 압력게이지

500 : 흡입펌프 501 : 역류펌프

600 : 공기 유량계(flow meter) 700 : 블로워

800 : 격벽

Claims (4)

1. MBR 모듈이 일측에 설치되고 타측에는 교반장치가 설치되는 MBR 반응조와, 상기 MBR 반응조의 MBR 모듈로 산소를 공급하기 위해 공기유량계를 통해 산소를 공급하기 위한 블로워와, 상기 MBR 반응조로부터 압력게이지와 흡입펌프를 통해 유출수를 받기 위한 유출수통과, 상기 유출수통으로부터의 유출수를 상기 MBR 반응조로 역류시킬 수 있는 역류펌프로 구성되는 하수고도처리시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반응조에 격벽을 설치됨을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응조내의 용존산소농도는 1.3~1.6mg/L 임을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응조내의 수리학적 체류시간은 6~24시간임을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.

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