KR20120008209A - Ｓｎｄ를 적용한 ｍｂｒ 반응조에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 생활하수의 유기물 및 고도처리 함에 있어 MBR 단일 반응조에서 동시 질산화ㆍ탈질(SND) 반응을 적용하여 유기물 및 질소 제거를 위한 하수처리 시스템에 관해 개시된다. 즉, 본 발명은 반응조 내에 격벽을 설치하여 혐기성 영역을 확보함으로써 인 제거까지 동시에 일어나 단일 반응조 내에서 유기물 및 영양염류의 제거가 가능하도록 함에 따라, 기존의 하수고도처리공정이 가지는 문제점들을 보완하여 보다 컴팩트하면서 하수처리시설의 부지면적을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 송풍량을 줄일 수 있어 운전비 및 동력비 절감이 가능한 시스템이 제공된다.

Description

ＳＮＤ를 적용한 ＭＢＲ 반응조에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템{Advanced Sewage Treatment System by Party Wall in MBR using SND}

본 발명은 침지형 막(membrane)을 이용한 생물학적 처리를 통해 생활하수를 고도처리하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MBR(Membrane Bio Reactor) 단일 반응조에서 동시 질산화ㆍ탈질(Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND) 반응을 적용하고 격벽을 설치하여 혐기성 영역을 확보하여 줌으로서 하수의 유기물 및 질소 제거는 물론 인까지 동시에 제거하기 위한 SND를 적용한 MBR에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 동시 질산화ㆍ탈질 반응은 플록(floc) 내 용존산소 농도 구배에 따라 호기영역과 무산소영역이 존재하게 되면서 질화 작용물질(nitrifiers)과 탈질화 작용물질(denitrifiers)이 반응조 내에 함께 공존하여 질소가 제거되는 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 탈질반응이 일어나기 위한 무산소조로 따로 구분하여 설계하나(Wiesmann, 1994), 동시 질산화ㆍ탈질(SND) 반응을 적용할 경우 호기조, 무산소조를 구분하여 구성하지 않고 단일 반응조 내에서 질소제거가 가능하여 하수처리장 부지면적과 소요되는 산소공급량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.(Munch, 1996)

또한, 유기 탄소원의 사용을 22～40%까지 절약할 수 있으며(Turk and Mavinic, 1987), 질산화가 일어나면서 알칼리티(alkalinity)를 소비하는 반면 탈질 반응이 일어나면서 알칼리티가 생성되므로 반응조 내 pH의 조절이 필요가 없다.(Chang and Tseng, 1999)

이러한 동시 질산화ㆍ탈질 반응에서는 반응조 내 용존산소(DO)농도, 플록 크기(floc size), 플록 밀도(floc density), 그리고 효과적인 탈질이 일어나기 위한 적절한 C/N비가 중요한 영향 인자로 작용한다.

또한, 인(P) 제거를 위한 통상의 처리방법인 혐기-호기 조건에서의 생물학적 인 제거 대사과정은 비교적 오랜 연구를 통해 자주 제안되고 평가되어 왔다.(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 인 제거 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 세포내에 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 관찰되면서 탈질 인 축적(DNPAOs) 미생물에 대한 관심이 증가하였다. 탈질 인 축적 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 인 제거를 위해 유입된 유기탄소원이 부족할 경우에 적합할 수 있으며, 탈질 인 축적 미생물을 생물학적 처리공정에 도입하여 외부 유기탄소원의 절감을 가져올 수 있고, 슬러지 생산량과 산소 요구량을 감소시킬 수 있을 것이다.(Ahn, 2001) 이러한 탈질 인 축적 미생물이 공정 내에서 거동을 하는데 있어서 가장 중요한 영향인자는 반응조 내 NO₃ ^--N의 부하량이라고 보고되고 있다.(Zhi-rong Hu, 2002)

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

이를 바탕으로 MBR 반응조에 동시 질산화ㆍ탈질 반응을 적용하여 유기물 및 질소 제거를 하는데 있어 기존의 하수처리시설의 규모와 운전비 및 동력비 등을 감소시킬 수 있는 시스템이 필요하게 된다.

일반적으로 하ㆍ폐수에는 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 하ㆍ폐수 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, Bardenpho 공법 등의 변형공법이 이용되고 있다. 이와 같은 공법들은 질소(N), 인(P) 제거를 위해 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성되며 고도처리가 이루어진다. 따라서 기존 하수처리장 시설은 부지면적이 크고, 최종 침전지에서의 반송을 통한 동력비 등의 운전비용이 많이 드는 문제점을 갖고 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하고자 본 출원인은 특허출원 제2009-81333호에서 SND를 적용한 MBR 반응조에서의 하수고도처리 시스템을 개시한 바 있다. 본 발명은 상기 출원발명을 개량한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

생활하수의 유기물 및 고도처리 함에 있어 MBR 단일 반응조에서 동시 질산화ㆍ탈질(SND) 반응을 적용하여 유기물 및 질소 제거를 위한 하수처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 즉, 본 발명은 반응조 내에 격벽을 설치하여 혐기성 영역을 확보함으로서 인 제거까지 동시에 일어나 단일 반응조 내에서 유기물 및 영양염류의 제거가 가능하도록 하는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명에 의하면, 고ㆍ액 분리가 완벽한 MBR 단일 반응조에서 동시 질산화ㆍ탈질(SND) 반응을 적용하고 격벽을 설치하여 혐기성 영역을 확보함은 물론 인 제거까지 수행함으로서 기존의 하수고도처리공정이 가지는 문제점들을 보완하여 보다 컴팩트(compact)하면서 하수처리시설의 부지면적을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 송풍량을 줄일 수 있어 운전비 및 동력비 절감이 가능한 시스템이 제공된다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, MBR 모듈이 일측에 설치되고 중앙부위에는 용존 산소용 DO 모터가 구비되며 DO 모터 일측에 상하부가 개방된 격벽이 설치되며 MBR 모듈 타측으로는 하나 이상의 교반 장치가 설치되는 MBR 반응조와, 상기 MBR 모듈로 산소를 공급하기 위한 블로워(Blower)와, 상기 MBR 반응조 하부로 유입수를 유입시키는 유입펌프와, 상기 MBR 반응조로부터 압력게이지와 흡입펌프를 통해 유출수를 받는 유출수 통과, 상기 유출수 통으로부터 유출수를 상기 MBR 반응조로 역류시킬 수 있는 펌프와, 상기 MBR 모듈의 타측 하부에 설치되어 유입수를 순환시키는 펌프로 구성되는, SND를 적용한 MBR에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템을 제공한다.

상기에서, 상기 MBR 반응조의 상부 일측에는 알럼(Alum)을 MBR 반응조로 유입시키는 유입펌프를 더 구비할 수도 있다.

본 발명은 또한, MBR 반응조에서 폭기량 만으로 유체가 순환할 수 있도록 내부 배플을 추가 설치하여 무산소 영역으로의 특별한 반송장치 없이 탈질 인 축적(DNP AOs) 미생물을 통한 인(P) 역시 제거가 가능하게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 동시 질산화ㆍ탈질(SND) 방법을 적용한 MBR 호기성 미생물 반응기는 막 분리에 의하여 미생물과 처리수를 거의 완벽하게 분리할 수 있어 기존의 최종 처리단계인 침전조의 구성을 없앨 수 있으며 안정적인 처리 수질을 확보할 수 있다.

뿐만 아니라 단일 반응조 내 동시 질산화ㆍ탈질(SND) 반응을 적용하여 기존의 고도하수처리공법에 비해 하수처리장 설계 시 침전지가 필요하지 않아 부지면적을 감소시키고, 공정을 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 반응조에서 폭기량으로만 유체가 순환할 수 있도록 내부 배플을 추가설치하여 무산소 영역으로의 특별한 반송장치 없이 탈질 인 축적(DNPAOs) 미생물을 통한 인(P) 역시 제거가 가능하고 혐기조건의 반응조에 응집제인 알럼을 주입하여 높은 효율의 T-P제거가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 시스템 개략도.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예의 시스템 개략도.
도 3은 본 발명의 실시예에서 DO 농도에 따른 T-N 제거 효율을 나타낸 그래프.

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

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 생활하수의 유기물 및 고도처리를 위해 MBR 단일 반응조에 동시 질산화ㆍ탈질(SND) 반응을 적용하여 반응조 내 용존산소(DO)농도, 플록 크기, 밀도 등의 여러 인자에 따라 유기물 및 질소 제거가 이루어지게 된다. 이는 기존 하수처리장 시설에서 질소제거를 위해 무산소조, 호기조 등을 거치면서 처리되는 공정과 달리 단일 반응조 내에서 동시에 질산화 반응 및 탈질 반응이 일어나고 반응조 내 격벽을 설치하여 혐기성 영역에서의 인(P) 제거까지 가능하여 하수고도처리공정이 컴팩트하면서 동력비 절감을 할 수 있는 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 동시 질산화ㆍ탈질 반응을 적용한 MBR 반응조에서 유기물 및 질소가 제거되고, 반응조 내 격벽을 설치하여 혐기영역에서 인(P)까지 제거가 가능한 하수고도처리 시스템 공정의 개략도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 혐기영역에 응집제인 알럼을 주입하여 인 제거 효율을 높이는 하수고도처리 시스템 공정의 개략도를 나타낸 것이다.

도면에서 원수가 펌프(500)를 통해 유입되는 MBR 반응조(100) 일축에는 MBR 모듈(200)이 설치되는데, 상기 MBR 모듈(200)은 기존 공법에서 최종 침전지를 대신하여 원활한 고ㆍ액 분리를 위해 설치된다. 상기 반응조(100)에서의 단위공정의 수리학적 체류시간(HRT)은 8~24시간, 반응조(100)내에서 미생물이 머무는 시간(SRT)은 30일, 미생물 농도는 5000±500mg/L로 운전한다. 공기공급은 막 오염(fouling)을 방지하기 위해 MBR 모듈(200) 아래서 공급하는데 반응조(100) 일측의 블로워(800)로부터 공기유량계(700)를 통해 공급한다. 질산화 효율과 탈질 효율의 최적조건을 찾기 위해 반응조(100) 내 용존산소(DO) 농도는 0.8～1.2mg/L로 공급함이 바람직한데, 반응조(100) 내 용존산소 농도조절을 위해 DO모터(600)를 설치하여 공기 공급량을 조절한다. 또한 유입원수와 슬러지의 접촉을 원활하게 하기위해 하나 이상의 교반장치(300)를 설치한다. 또한 반응조(100)로부터의 유출수가 통과하는 곳에 압력게이지(400)를 설치하여 MBR 모듈(200)의 막의 차압을 확인하여 역 세척 주기를 산출할 수 있도록 하며, 또한 흡입펌프(502)와 역류(backwashing)펌프(503)를 설치하는데 흡입펌프(502)의 역할은 반응조(100) 내 MBR 모듈(200)을 거쳐 펌프를 통해 처리수를 뽑아내는 역할을 하며, 역류펌프(503)는 상기 막의 차압을 압력게이지(400)로부터 확인을 하고 막이 오염되었을 경우 처리수 등을 이용하여 MBR 모듈(200)을 역 세척을 통해 막 모듈의 차압을 떨어뜨리는 역할을 한다.

[실시예]

본 실시예에서는 반응조 내 용존산소 농도를 0.8～1.2mg/L로 유지하였을 때 유기물제거 및 질소제거 거동에 대해 관찰한 것이다. 유입 COD_ｃｒ 농도는 약 200mg/L 정도로 유입되었고 반응조 내 유출 COD_ｃｒ 평균 농도는 0~10mg/L로 나타났으며, 평균 유기물 제거율은 약 96%로 높은 유기물 제거율을 확인하였다.

본 발명을 이용한 유기물과 질소 및 인 제거 처리 성과

Parameter	Influent (mg/L)	Effluent (mg/L)	Efficiency (%)
CODCr	204.17	3.13	98.4
T-N	36.07	13.32	63.1
T-P	3.66	2.52	31.2

용존산소 농도가 0.8～1.2mg/L일때 반응조 내 질소제거 거동을 관찰하였다. 반응조로 유입되는 하수의 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N) 농도는 약 19.96mg/L의 농도로 유입되었으며, 총 질소(T-N) 농도는 약 36.07mg/L의 농도로 유입되었다. 실험기간 중 반응조 내 유출 암모니아성 질소의 평균농도는 0.93mg/L로 제거율은 97.1%의 암모니아성 질소 제거율을 나타내었다. 총 질소의 경우 유출수 평균 농도는 13.32mg/L로 총 질소 제거율은 63.1%임을 확인하였다.

도 3에 나타낸 것처럼 본 발명에서 공급되는 공기량만으로 반응조 내 유체가 순환할 수 있도록 하여 질소제거를 관찰하고 격벽을 설치하여 혐기영역에서 인(P) 제거도 가능하다. 그리고 반응조 내 수리학적 체류시간을 8시간으로 하여 효율적이고 컴팩트한 공정을 개발할 수 있을 뿐만 아니라 처리유량을 확보할 수 있다.

또한 도 2에 나타낸 것처럼 본 발명에서 흡입펌프(504)를 통해 혐기영역에 응집제인 알럼을 주입하였을 시 각 주입량에 따른 T-P 제거효율은 아래와 같고 높은 제거효율을 위하여 50mg/L이상의 알럼을 주입해야 한다는 결과를 확인하였다.

혐기조에 알럼을 주입하였을 시 알럼 주입량에 따른 T-P제거효율

Alum(mg/L)	Influent T-P(mg/L)	Effluent T-P(mg/L)	Efficiency(%)
30	3.73	1.27	65.96
40	4.57	1.31	71.28
50	3.59	0.24	93.20
100	4.06	0.21	94.75
150	4.38	0.20	95.38
200	3.68	0.18	95.11

100: MBR 반응조 200: MBR 모듈
300: 교반장치 400: 압력게이지
500,501,502,503,504: 펌프 600: DO 모터
700: 공기유량계 800: 블로워
900: 격벽

Claims (4)

1. MBR 모듈이 일측에 설치되고 중앙부위에는 용존 산소용 DO 모터가 구비되고 DO 모터 일측에 상하부가 개방된 격벽이 설치되며 MBR 모듈 타측으로는 하나 이상의 교반장치가 설치되는 MBR 반응조와, 상기 MBR 모듈로 산소를 공급하기 위한 블로워와, 상기 MBR 반응조 하부로 유입수를 유입시키는 유입펌프와, 상기 MBR반응조로부터 압력게이지와 흡입펌프를 통해 유출수를 받는 유출수 통과, 상기 유출수 통으로부터 유출수를 상기 MBR 반응조로 역류시킬 수 있는 펌프와, 상기 MBR 모듈의 타측 하부에 설치되어 유입수를 순환시키는 펌프로 구성되는 SND를 적용한 MBR에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 MBR 반응조의 상부 일측에는 알럼(Alume)을 MBR 반응조로 유입시키는 유입펌프를 더 구비됨을 특징으로 하는 SND를 적용한 MBR에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 용존 산소농도는 0.8~1.2mg/L로 유지됨을 특징으로 하는 SND를 적용한 MBR에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 반응조 내의 수리학적 체류시간(HRT)은 8~24시간임을 특징으로 하는 SND를 적용한 MBR에서 격벽에 의한 하수고도처리 시스템.

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