KR20120062881A

KR20120062881A - 유동상 분리막 생물반응기

Info

Publication number: KR20120062881A
Application number: KR20127008871A
Authority: KR
Inventors: 배재호; 김정환; 페리 엘. 맥카티
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2012-06-14
Also published as: US20120118808A1; JP2013515605A; US8404111B2; CN102639448A; WO2011111879A1; SG183547A1; EP2545007A1; KR101404179B1; EP2545007A4

Abstract

본 발명은 생화학적 활성 미생물을 포함한 생물반응기; 미생물의 부착 성장을 지지하는 유동 여재 입자; 미생물을 제외한 처리수를 통과시키는 멤브레인;을 포함하며, 상기 유동 여재 입자는 상기 멤브레인과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기에 관한 것이다. 상기 멤브레인은 상기 생물반응기의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 상기 유동 여재 입자는 입상 활성탄 또는 다른 적절한 물질이 사용될 수 있다. 유동 입자는 미생물을 위한 지지 여재로 작용할 뿐만 아니라 멤브레인 파울링 현상을 일으킬 수 있는 물질을 흡착하고 또한 멤브레인 표면을 세척하는 연마재로 작용한다.

Description

유동상 분리막 생물반응기{FLUIDIZED MEMBRANE BIOREACTOR}

본 발명은 유동상 분리막 생물반응기에 관한 것으로, 특히 유동상 생물막 반응기와 분리막을 결합하여 유지관리가 용이하면서도 높은 처리효율로 도시 하수 및 폐수를 처리할 수 있는 유동상 분리막 생물반응기에 관한 것이다.

폐수 처리를 위한 생물반응기는 분산성장 반응기와 생물막 반응기로 구분된다.

표준 활성 슬러지법과 같은 분산성장 반응기에는 바이오매스(biomass)(또는 미생물)들이 대부분 부유 플록(floc) 상태로 존재한다. 반응기 부피를 줄이기 위해서는 바이오매스의 농도가 높게 유지되어야 하며, 이를 위해 상기 표준 활성 슬러지법과 같은 분산성장 반응기에서는 일반적으로 바이오매스의 반송을 위한 침전조가 설치된다. 이러한 형태의 반응기는 비교적 짧은 고형물 체류시간 때문에, 일반적으로 도시 하수 및 저농도 폐수처리를 위한 혐기성 공정에는 사용되지 않는다.

반면, 생물막 반응기는 여재(media)에 바이오매스를 부착시킴으로써 바이오매스를 고농도로 유지시킬 수 있기 때문에, 긴 고형물 체류시간을 요구하는 효율적인 혐기성 처리에 적합하다. 이러한 반응기로는 고정된 여재를 사용하는 충전상 반응기와 유동 여재를 사용하는 유동상 반응기가 있다.

유동상 반응기에서는 적절한 속도의 상향류가 모래 또는 입상 활성탄과 같은 입자들의 여재층을 통해 흐르면서 여재가 유체상에서 부유하도록 한다. 여기서, 중력에 따른 하향방향의 힘과 여재주변의 상향류가 균형을 이루게 된다. 유동상 반응기는 특히 폐수로부터 질산염이나 과염소산염을 제거하기 위해 많이 적용되어왔다. 유동상 반응기에서는 여재에 형성된 두꺼운 생물막을 통하여 높은 바이오매스 농도가 유지되므로 다른 종류의 반응기들에서는 시간 단위의 수리학적 체류시간이 요구되지만 유동상 반응기에서는 몇 분 단위의 수리학적 체류시간에서도 동일한 처리효율을 얻을 수 있다.

반면에, 분산성장 반응기들은 짧은 수리학적 체류시간에 높은 처리효율을 얻기 위하여, 멤브레인을 사용하여 높은 바이오매스 농도를 유지하여 왔다. 일반적으로 정밀여과 막(microfiltration membrane) 또는 한외여과 막(ultrafiltration membrane)이 반응기 내에 약 1 μm 미생물 크기의 입자성 물질을 체류시키기 위한 목적으로 사용되었다. 또한 막을 사용하면 반응기 유출수로부터 작은 입자성 물질들까지 제거하기 때문에, 충분히 깨끗하고 병원균이 제거된 유출수를 얻을 수 있으며, 이는 농작물 관개용수로 쓰기에 적합한 수질이다. 기존의 폐수처리 시스템을 이용하여 이와 같은 수질을 얻으려면, 일반적으로 부가적인 생물학적 반응기, 큰 입자성 물질을 제거하는 최종 침전지, 그리고 박테리아 크기보다 작은 물질을 제거하는 다중 여재 여과 단계를 요구하게 된다. 따라서 분리막 생물반응기의 장점은 전체 처리시스템의 부피가 작고, 작은 공간에 놓이는 처리 시스템이라는 것이다.

그러나, 멤브레인 파울링(fouling)은 분리막 생물반응기 시스템 성능에 심각한 영향을 미친다. 멤브레인 파울링은 멤브레인 표면 또는 멤브레인 세공 매트릭스(pore matrix)에 오염물질이 축적되면서 발생한다. 멤브레인 파울링에 의해 멤브레인의 수리학적 저항이 증가하면 멤브레인의 성능이 저하되며, 그 결과 설치 및 운영비가 높아지게 된다. 현재 멤브레인 파울링을 감소시키기 위한 다양한 방안들이 제시되고 있다. 이중 분리막 생물반응기에서 사용되고 있는 일반적인 접근 방법은 공기나 순환 바이오 가스를 멤브레인 하부에 주입하여 멤브레인 주변에 형성되는 강한 난류와 교차 흐름을 이용하는 방법이다. 이 방법은 효과적이지만, 에너지 비용이 높다. 또한 막 세정을 위해 일반적으로 사용되고 있는 액체나 기체를 이용한 멤브레인 역세척과 주기적인 막 세정에도 많은 비용이 든다.

호기성 처리는 가장 일반적인 폐수의 생물학적 처리 시스템이지만, 공기 주입에 상당한 에너지를 요구한다. 이에 반대로 혐기성 공정은 공기나 산소의 주입 없이 운영할 수 있을 뿐만 아니라 바이오가스 형태로 이용 가능한 에너지를 생산한다. 혐기성 처리에서 특별히 요구되는 부분은 성장이 느린 메탄 형성 혐기성 박테리아(methane-forming anaerobic bacteria)의 유실을 막기 위한 긴 고형물 체류시간이다. 분리막 생물반응기는 반응기 크기 및 유지관리비 감소에 필수조건인 짧은 수리학적 체류시간 조건에서도 혐기성 박테리아의 유실을 막고, 요구되는 긴 고형물 체류시간을 제공할 수 있어 도시 하수와 같은 저농도 폐수의 혐기성 처리에 유리할 수 있다. 그러나 현재는 분리막 생물반응기의 에너지 요구량이 높아 이 같은 장점이 상쇄되고 있다.

에너지 요구량 감소를 위해 많은 연구가 진행되었지만, 여전히 에너지 요구량 감소에 대한 필요성은 남아있다.

따라서, 본 발명의 목적은 산업폐수뿐만 아니라 일반 하수의 보다 효과적인 생물학적 처리를 가능하게 하고 또한 관련 에너지 사용량과 유지비용을 줄이는 폐수처리 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐수처리 시스템은 유동상 반응기와 멤브레인이 결합된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 유동상 분리막 생물반응기(fluidized membrane bioreactor)는 생화학적 활성 미생물을 포함하는 생물반응조; 표면에 생물막 형성이 가능한 유동 입자; 및 처리수는 통과하지만 미생물은 걸러지는 멤브레인을 포함한다. 또한, 유동 입자는 멤브레인과 직접 접촉한다.

상기 유동상 분리막 생물반응기는 2가지 방법으로 운영될 수 있다. 첫째, 분리막이 생물학적 반응기 내부에 설치되거나, 둘째, 분리막이 생물학적 처리 시스템 후단에 별도의 처리과정으로 설치될 수 있다.

상기 멤브레인의 종류는 여러 가지로, 그 중 대표적인 종류는 중공사막(hollow fiber membrane), 관형막(tubular membrane) 그리고 평막(flat sheet membrane)이다. 유동 여재로는 모래, 입상 활성탄(granular activaed carbon) 또는 흔히 유동상 반응기에 사용되는 모든 종류가 적용이 가능하다. 여기서, 흔히 입상 활성탄이라 하는 것은 분말 활성탄보다 큰 직경을 가지며 그 직경은 0.3 mm 정도이거나 그보다 크다. 입상 활성탄의 가장 주된 크기는 직경이 0.3 mm 내지 0.7 mm 정도이다. 이러한 크기의 입상 활성탄은 입자성 물질을 흡착 또는 부착하는 능력이 크고, 세정(scouring) 작용을 통하여 멤브레인 표면의 오염 물질들을 제거하여 멤브레인 파울링을 방지하는데 효과적이다.

본 발명의 유동상 분리막 생물반응기는 혐기성 시스템 또는 호기성 시스템에 모두 효과적으로 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 유동상 반응기와 멤브레인 여과를 조합하는 방법의 장점은 미생물 체류시간이 증가할 뿐만 아니라 반응기 내에서 처리수가 통과하는 멤브레인과 직접 접촉하며 유동하는 입자의 흡착 및 세정 효과에 의해 멤브레인 파울링이 크게 줄어든다는 점이다. 그러므로 유동상 반응조의 일반적은 작용을 통하여 기존 분리막 생물반응기가 가지는 낮은 에너지 효율 문제점을 줄일 수 있다. 따라서, 격렬한 교반(vigirous agitation)을 위해서 가스를 주입하는데 사용되던 에너지가 필요하지 않다.

본 발명에 따른 유동상 분리막 생물반응기는 고형물 체류시간을 길게 유지할 수 있기 때문에 특별히 혐기성 처리를 통한 폐수처리의 효율을 높이는데 매우 효과적으로 적용될 수 있다.

도 1은 멤브레인이 생물학적 반응기 내부에 설치된 본 발명에 따른 유동상 분리막 생물반응기의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 멤브레인이 생물학적 반응기 외부에 설치된 본 발명에 따른 유동상 분리막 생물반응기의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 도 1에 도시된 유동상 분리막 생물반응기가 혐기성 공정으로 사용되는 변형 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 2에 도시된 유동상 분리막 생물반응기가 혐기성 공정으로 사용되는 변형 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 도 2에 도시된 유동상 분리막 생물반응기의 또 다른 변형 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 6과 도 7은 도 4에 도시된 유동상 분리막 생물반응기에서 여과 시간에 따른 흡입압력(suction pressure)의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동상 분리막 생물반응기를 개략적으로 도시한 도면으로서, 유동 여재 입자(3)를 포함하는 생물반응기(1)가 멤브레인(5)과 함께 설치되어 있다.

상기 멤브레인(5)은 바람직하게는 중공사막, 관형막 또는 평막이 적용될 수 있다. 예컨대, 중공사막이 생물반응기(1) 내에 수직으로 설치되어 있다. 유동 여재 입자(3)는 유입 흐름(7)에 의해 상향으로 유동되며 동시에 멤브레인(5)과 물리적으로 접촉하게 되는데, 이 물리적 접촉 및 생분해 작용과 흡착 등으로 인하여 멤브레인 파울링 현상이 완화된다.

상기 입자(3)를 유동시키기 위한 유체의 상향 유속은 유동층이 5-300%, 더 일반적으로는 25-150%의 팽창율을 유지할 정도이다.

유동 여재 입자는 젖은 상태의 무게가 물보다 무거운 것, 특히 비중이 1.05 내지 3 정도인 것으로, 직경 0.1 mm 내지 5 mm인 플라스틱 비즈로부터 모래 알갱이까지 다양하게 사용될 수 있다. 그 중에서도 효과적인 여재 입자는 0.3 내지 0.7mm 크기의 입상 활성탄으로, 이는 실 폐수처리 시 유동상 반응기에서 미생물의 증식과 유해한 유기 및 무기 오염물질의 처리에 효과적인 것으로 알려져 있다. 일반적으로 활성탄 여재층을 50 내지 100% 팽창시키기 위한 상향 유속은 1 m/min 정도이다.

유동 여재 입자(3)는 미생물의 서식처 제공, 멤브레인의 파울링을 유발하는 잔류 미세입자나 용해성 유기물의 흡착, 그리고 멤브레인 표면에 부착된 오염물질을 물리적인 운동과 흡착을 통해 세정하는 연마제로서의 역할 등 다양한 기능을 가진다.

멤브레인(5)을 통해 여과된 후 투과수(9)가 형성된다. 여재 입자의 유동은 순환라인(11)을 통해 적절한 양의 유량을 반응기(1)로 순환시킴으로써 원하는대로 조절할 수 있다. 이러한 반송 유량과 유입 유량(7)은 반응기(1)에서 여재 입자의 유동을 위해 필요한 상향 유속을 제공한다.

도 1의 실시예에서는 멤브레인(5)은 생물반응기 내부에 설치되어 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이 생물반응기 후단에 별개의 반응조에 설치되어, 멤브레인 여과가 생물학적 처리 시스템 후에 분리된 단계에서 실행될 수도 있다.

이 실시예에서는 생물반응기(1)에서 처리된 유출수(13)가 멤브레인(5)이 설치된 분리 챔버(15)로 유입된다. 챔버 내에서 유출수(13)는 멤브레인(5)을 통과하며, 유출수(13)에 의해 유동화된 입자(3)는 클로깅 물질(clogging matter)의 흡착을 위한 여재 및 멤브레인 파울링을 감소시키는 연마재로 작용한다.

멤브레인이 생물반응기 외부에 설치되는 경우, 생물반응기(1)는 CSTR (Completely Stirred Tank Reactor), 필터, UASB(Upflow Sludge Blanket Reactor), BR(baffled reactor), SBR(Sequencing Batch Reactor) 또는 FBR(Fluidized Bed Reactor)일 수 있으며, 또는 현재 사용되는 어떤 형태의 생물반응기이던 적용이 가능하다. 여기서 상기 유동상 시스템의 목적은 적은 에너지 소모량으로 파울링을 저감시키는 것이다.

도 1 및 도 2의 실시예는 본 발명의 유동상 분리막 생물반응기가 폭기 수단(17)을 가진 호기성 처리 시스템에 적용된 경우이다. 그러나, 본 발명에 따른 유동상 분리막 생물반응기는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 혐기성 생물학적 처리 시스템에서도 효율적으로 적용될 수 있다.

이러한 실시예에서는 폭기 수단이 제거되고, 대신 발생되는 바이오가스(biogas)의 포집을 위해서 가스 분리기(18)가 추가되었다. 여기서 분리된 가스는 라인(19)을 통하여 재유입되어 여재의 유동을 돕거나 라인(20, 21)을 통해 배출될 수 있다.

유동 여재 입자(3)는 표면에 생물막을 형성함으로써 긴 고형물 체류시간(SRT) 유지를 가능하게 한다. 더욱이, 멤브레인(5)은 혐기성 박테리아의 유실을 방지하므로 그 결과 고형물 체류시간이 더 길어진다. 유동상 반응기와 분리막 반응기를 결합함으로써 혐기성 처리 공정에 필요한 긴 고형물 체류시간을 유지할 수 있고, 폐유기물(waste organic)의 미생물로의 물질전달(mass transfer)을 증진하고, 에너지 효율적인 바이오가스 생산 방식으로 막의 오염 가능성을 저감시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 호기성 분리막 생물반응기에도 유용할 뿐만 아니라 저농도 폐수를 처리하기 위한 혐기성 공정에 적용하면 과거보다 월등히 우수한 효과를 기대할 수 있다.

도 5는 도 2의 변형 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에서 멤브레인(5)은 관형막이고, 연마 작용을 하는 여재 입자(3)는 보다 효율적인 세척효과를 위하여 멤브레인(5) 내부에서 유동한다. 입상 활성탄과 같은 여재 입자(3)의 손실을 막기 위해서 입상 활성탄 분리조(23)을 추가적으로 설치할 수 있다. 분리된 입상 활성탄(24)는 생물반응기 유출수(13)와 함께 다시 반응기로 유입된다.

도 6은 본 발명에 따른 유동상 분리막 반응기에서 입상 활성탄의 멤브레인 세정 효과를 증명하기 위한 실험 결과이다. 도 6은 유동 여재로서 입상 활성탄을 주입한 경우와 주입하지 않은 경우에 정속 운전조건(constant flux operation)에서 멤브레인 막힘 지표인 투과 압력 변화를 비교한 것이다. 본 실험에서 사용된 유동상 분리막 생물반응기는 도 4에 도시된 유형으로, 멤브레인 모듈이 혐기성 생물반응기의 외부에 설치되어 생물반응기에서 나오는 유출수를 처리하는 방식이다. 이 실험에는 중공사막 멤브레인이 사용되었다. 입상 활성탄이 투입된 유동상 분리막 반응기에서는 실험기간 동안 입상 활성탄이 지속적으로 유동하였다. 도 6은 입상 활성탄이 투입되지 않은 조건에서 투과압력(혹은 멤브레인 파울링)이 상당히 증가한 것을 나타내고 있다. 반면 입상 활성탄이 투입된 경우, 투과압력의 변화 양상은 깨끗한 물을 사용했을 때와 거의 비슷하게 관찰되었다. 이는 입상 활성탄이 지속적으로 멤브레인을 세척해주었기 때문이다.

도 7 역시 본 발명에 따른 유동상 분리막 생물반응기에서 입상 활성탄의 멤브레인 세척효과를 보여주는 실험결과이다. 유동상 분리막 생물반응기는 도 6의 실험에서 사용된 반응기 형태와 같다. 이 실험에서는 반응기에서 입상 활성탄을 지속적으로 유동시키지 않고, A 시점에서는 입상 활성탄의 유동을 중단시키고 B 시점에 유동을 다시 시작하였다. 도 7에 도시된 바와 같이 입상 활성탄의 유동이 중단되었을 때, 투과압력이 증가하였다. 그러나, 입상 활성탄의 유동이 다시 시작되었을 때, 투과압력은 깨끗한 물을 사용해서 여과할 때와 비슷한 압력으로 감소되었다.

상기 실험들을 통하여 유동상 분리막 생물반응기의 멤브레인 세척효과가 아주 현저함을 알 수 있다.

Claims

생화학적 활성 미생물을 포함하는 생물반응기;
미생물의 부착 성장을 지지하는 유동 여재 입자;
미생물을 제외한 처리수를 통과시키는 멤브레인;을 포함하며,
상기 유동 여재 입자는 상기 멤브레인과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제1항에 있어서,
상기 멤브레인은 상기 생물반응기 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제1항에 있어서,
상기 멤브레인은 상기 생물반응기 외부에 설치되는 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유동 여재 입자는 젖은 상태에서 물보다 무거운 입자로 밀도가 1.05 내지 3, 크기가 0.1 mm 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제4항에 있어서,
상기 유동 여재 입자는 입상 활성탄인 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인은 중공사막, 관형막, 또는 평막인 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생물반응기 내의 처리는 호기성 처리인 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생물반응기 내의 처리는 혐기성 처리인 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제6항에 있어서,
상기 생물반응기 내에서 생성된 바이오가스가 재주입되어 여재 입자의 유동을 돕는 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입자는 유입 폐수 또는 재주입된 반응기 유체, 또는 유입 폐수 및 재주입된 반응기 유체에 의하여 유동되는 것을 특징으로 하는 유동상 분리막 생물반응기.