KR20140026137A

KR20140026137A - 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20140026137A
Application number: KR20120093150A
Authority: KR
Inventors: 연경민; 김용근; 민수홍; 박성준
Original assignee: 삼성물산 주식회사
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-03-05

Abstract

본 발명은 전단에 체여과방식 생물반응조를 두어 분리막 생물반응조의 수처리 부하를 줄여 분리막 모듈 사용량 감소, 유출수질 향상, 공기량 절감 및 분리막 폐색 완화에 의한 총 운영비용을 감소시킬 수 있는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템 및 그 방법을 제공한다. 본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템은, 유입된 처리수의 슬러지 농도를 감소시키기 위한 여과체를 두고 있는 체여과방식 반응조와; 체여과방식 반응조의 후단에 연결되어 체여과방식 반응조에서 유출되는 유출수를 생화학적 활성 미생물로 분해하고 미생물을 제외한 처리수를 분리막으로 처리하는 분리막 생물반응조를 포함하여; 분리막 생물반응조의 처리 부하를 크게 줄이도록 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템 및 그 방법{Wastewater treatment system and methods using sieving-membrane bio-reactor process}

본 발명은 하수처리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 전단에 체여과방식 생물반응조를 두어 분리막 생물반응조의 수처리 부하를 줄일 수 있도록 한 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 침전조를 줄이고 고형물을 효과적으로 분리하여 유출수의 수질을 향상시키는 분리막 생물반응기(MBR, Membrane Bio-Reactor) 기술이 각광을 받고 있다.

종래 MBR은 도 3과 같이 하나 이상의 분리막을 갖는 고·액 분리장치로서 활성슬리지 시스템의 2차 침전지를 분리막 장치로 대체한 시스템이며 고도 폐수처리 기술로서 그 활용이 점차로 확대되고 있다. 분리막에 의한 활성슬러지 플럭을 완전히 분리해냄으로써 미생물의 침강성에 관계없이 안정적인 수질을 확보할 수 있고, 슬러지 체류시간(SRT; sludge retention time)과 수리학적 체류시간(HRT; Hydraulic retention time)의 완전 분리가 가능하여 운전의 유연성이 증가하며, 높은 미생물 농도 유지가 가능해 부지 면적이 감소하는 장점을 갖는다.

그러나 분리막 운전시 필연적으로 발생하는 막오염(membrane fouling)으로 인한 주기적인 분리막의 세척 및 교체 등의 문제로 운전비용이 증가하는 문제를 안고 있다.

즉, MBR에서는 일반적인 생물학적 처리(~5,000mg/L)에 비해 높은 바이오매스 농도(10,000mg/L 이상)로 운전하게 되는데 반응조 내의 슬러지농도가 높을수록 MBR에서 분리막의 폐색(fouling)이 빈번해진다.

MBR 공정은 기존 활성슬러지 공정에 비하여 침전공정을 분리막으로 대체함으로써 부지를 절감하고 고형물 분리를 통하여 양호한 수질을 얻을 수 있어 사용이 증가하는 추세에 있다. 그러나 분리막의 교체나 폐색을 막기 위한 과폭기 및 잦은 화학약품세정은 운영비를 증가시키는 문제가 남는다.

하수처리에 사용되는 전형적인 MBR 공정의 반응조 내 슬러지의 농도는 10,000mg/L 내외로 알려져 있는데, 슬러지 농도와 분리막의 폐색현상은 1차반응의 관계에 있어 슬러지 농도의 제어가 중요한 운전요소이다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 공개특허 공개번호 제10-2012-0062881호로서, 유동상 분리막 생물반응기가 있다. 이는 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 한다.

이같이 유동상 분리막 생물반응기만 독립적으로 사용할 경우 분리막의 교체나 폐색을 막기 위한 과폭기 및 잦은 화학약품세정은 운영비를 증가시키게 되는 문제가 있다.

한국 등록특허 등록번호 제10-0704328호 한국 등록특허 등록번호 제10-1131548호

본 발명은 전단에 체여과방식 생물반응조를 두어 분리막 생물반응조의 수처리 부하를 줄여 분리막 모듈 사용량 감소, 유출수질 향상, 공기량 절감 및 분리막 폐색 완화에 의한 총 운영비용을 감소시킬 수 있는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템은,

유입된 처리수의 슬러지 농도를 감소시키기 위한 여과체를 두고 있는 체여과방식 반응조와;

체여과방식 반응조의 후단에 연결되어 체여과방식 반응조에서 유출되는 유출수를 생화학적 활성 미생물로 분해하고 미생물을 제외한 처리수를 분리막으로 처리하는 분리막 생물반응조를 포함하여; 분리막 생물반응조의 처리 부하를 크게 줄이도록 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 체여과방식 반응조는 여과체 벽을 갖는 별도의 체여과실을 두고, 체여과실에 유입된 여과수는 펌프를 통해 분리막 생물반응조로 이송되는 방식으로 구성될 수 있다.

또한, 체여과방식 반응조는 여과체를 중공(中空) 형식의 체다발로 묶어 구성한 후 침적시켜 펌프로 처리수를 이송하는 방식으로 구성될 수 있다.

또한, 체여과방식 반응조와 분리막 생물반응조에 중력 구배를 두고 중력 구배 부분에 여과체를 설치하는 방식으로 구성될 수 있다.

또한, 분리막 생물반응조내의 일부 처리수를 체여과방식 반응조로 순환시키는 순환펌프가 더 설치되어 구성될 수 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 방법은,

유입된 처리수를 체여과방식 반응조의 여과체를 통과시키는 공정과;

체여과방식 반응조의 후단에 연결된 분리막 생물반응조를 통해 생화학적 미생물 처리와 분리막 처리가 함께 진행되는 공정과;

분리막 생물반응조내의 일부 처리수를 순환펌프를 통해 체여과방식 반응조로 순환시키는 공정을 포함하여; 분리막 생물반응조의 처리 부하를 크게 줄이도록 구성한 것을 특징으로 한다.

여기서, 여과체는 체여과실의 벽체 형태 또는 체다발 형태로 설치되거나 분리막 생물반응조와의 중력 구배 부분에 설치되어 수 처리가 진행되도록 할 수 있다.

본 발명은 분리막 생물반응조의 전단에 체여과방식 생물반응조를 두어 슬러지의 농도를 줄임으로써 기존 MBR 대비 분리막 모듈 사용량 최대 50 % 감소, 유출수질 향상, 공기량 절감 및 분리막 폐색 완화에 의한 총 운영비용의 감소가 가능하다.

따라서 확장/개선(retrofit)이 필요한 하수처리시설, 폐수처리시설, 음식폐수처리시설, 가축분뇨처리시설 등과 같이 유기성 물질이 포함된 수처리 분야에 확장 적용이 가능하다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 적용되는 여과체 구조에 따른 체여과방식 반응조의 다양한 구성도.
도 3은 종래 분리막 생물반응기의 구성도.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 수처리 시스템은 도 1과 같이 체여과방식 반응조(SiBR;Sieve Bio-Reactor)(10)와, 체여과방식 반응조(10)의 후단에 연결된 분리막 생물반응조(MBR)(20)를 포함하는 SiMBR방식으로 구성된다.

체여과방식 반응조(10)는 유입된 처리수의 슬러지 농도를 감소시키기 위한 여과체(12)를 두고 있다. 여과체(12)는 체의 크기를 150~2000mesh 범위내에서 구성될 수 있다. 10%정도의 슬러지 투과율을 유지하면 유지운영에 적절한 것으로 나타났으며, 이때 체의 크기는 150mesh 였다. 여과체(12)는 예로 스테인레스 계열의 금속, 폴리에스테르(polyester)와 같은 고분자 수지 등으로 제작된 것이 될 수 있으며, 그 재질 및 구조는 특별히 한정되지 아니한다.

여과체(12)의 구조와 그 설치 방법에 따라 체여과방식 반응조(10)는 도 2와 같이 3가지 형태로 구성될 수 있다.

제1 형태의 체여과방식 반응조(10)는 도 2(가)와 같이 여과체(12) 벽을 갖는 별도의 체여과실(13)을 두고, 체여과실(13)에 유입된 여과수는 펌프(14)를 통해 분리막 생물반응조(20)로 이송되는 방식으로 구성한 것이다. 상기 방식은 집중 호우 등과 같이 유입유량이 급격히 증가하는 경우에 효과적인 대응이 가능하다.

제2 형태의 체여과방식 반응조(10)는 도 2(나)와 같이 중공(中空) 형식의 체다발로 묶어 구성한 여과체(12a)를 침적시켜 펌프(14)로 처리수를 이송하는 방식으로 구성할 수 있다. 상기 방식은 높은 유량 변동 대응성 이외에 기존 생물반응조의 구조 변경이 어려운 경우에 효과적으로 적용할 수 있다.

제 3형태는 도 2(다)와 같이 체여과방식 반응조(10)와 분리막 생물반응조(MBR)(20)에 중력 구배를 두고 중력 구배(Wier)부분에 여과체(12b)벽을 설치하는 방식이다. 상기 방식은 별도 설비를 추가할 필요가 없어 대규모 하수처리장 시공시 경제성 측면에서 가장 유리하다고 할 수 있다.

이와 같이 어느 형태를 선택하든지 여과체(12)를 통과하게 되면 슬러지(혼합액 고형 부유물)의 투과를 1차적으로 줄이게 되어 처리 농도를 줄여서 분리막 생물반응조(20)로 처리수가 유출된다.

분리막 생물반응조(20)는 체여과방식 반응조(10)에서 유출되는 유출수를 생화학적 활성 미생물로 분해하고 미생물을 제외한 처리수를 분리막(22)으로 처리한다.

분리막(22)은 미세공의 크기에 따라 정밀여과막(MF, Microfiltration), 한외여과막(UF,Ultrafiltration), 나노막(NF, Nanofiltration), 역삼투막(RO, Reverse Osmosis) 등의 종류가 있으며 오염물질의 크기 및 특성에 따라 분리막을 선택할 수 있다.

한편, 도 1과 같이 분리막 생물반응조(20)내의 일부 처리수를 체여과방식 반응조(10)로 순환시키는 순환펌프(30)가 더 설치될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 1단의 분리막 생물반응조(20)의 슬러지농도가 50%가량 감량되므로 처리 부하를 크게 줄여 분리막(22)의 폐색을 완화하여 생산수량을 증가시킬 수 있다.

즉, 영양염류의 고도 처리를 위한 반송이 있는 경우 일정조건에 의하여 수행된 아래 모델링 결과에 의하면 개발 공정의 분리막 생물반응조(20)내 슬러지를 일반 MBR 공정에 비해 40% 수준까지 감소시킬 수 있었다. 이러한 결과는 MBR에서 분리막 모듈 사용량과 포기량을 감소시켜 설치 및 운영비를 획기적으로 절감할 수 있음을 시사한다.

■ 모델링 결과

도 1 및 도 3의 수처리 시스템을 이용한 두가지 공정에 대해 물질수지 모델이 식 1~6과 같이 수립되었고 정상상태로 가정하여 계산함으로써 비교하였다.

1. SiMBR 물질수지

여기서, V=반응조부피, C=유기물농도, X=미생물농도, Q=유량, q^=최대기질비소비속도, Ks=반속도농도, Y=미생물생산계수, b=미생물감소계수, 1,2=반응조 번호를 의미한다.

2. MBR 물질수지

3. 운전인자 및 동력학 계수

	SiMBR	MBR	동력학계수
조크기(m³)	5(V₁,V₂)	10m³(V₁)	q^	10mgC/mgVSS-day
유량(m³/day)	100(Q1) 50(Q_o,Q₂,Q'₂)	50(Q_o,Q₁,Q'₁)	Ks	10mgC/L
유입농도(mg/L)	0(X_o) 300(C_o)		Y	0.4mgVSS/mgC
*동력학계수(RittmannandMcCarty,2001)			b	0.1day^-1

4. 정상상태 모델 결과

	SiMBR	MBR	MBR조내농도비교
미생물농도 (mgVSS/L)	17,300(X₁:SiBR)	8,800 (X₁)	SiMBR< MBR
	3,400(X₂: MBR)
유기물농도 (mgC/L)	11.1(C₁:SiBR)	0.3(C₁)
	0.1(C₂: MBR)

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

10: 체여과방식 반응조
12: 여과체
13: 체여과실
20: 분리막 생물반응조

Claims

수처리 시스템에 있어서,
유입된 처리수의 슬러지 농도를 감소시키기 위한 여과체를 두고 있는 체여과방식 반응조와;
체여과방식 반응조의 후단에 연결되어 체여과방식 반응조에서 유출되는 유출수를 생화학적 활성 미생물로 분해하고 미생물을 제외한 처리수를 분리막으로 처리하는 분리막 생물반응조를 포함하여;
분리막 생물반응조의 처리 부하를 크게 줄이도록 구성한 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템.
제 1항에 있어서,
체여과방식 반응조는 여과체 벽을 갖는 별도의 체여과실을 두고, 체여과실에 유입된 여과수는 펌프를 통해 분리막 생물반응조로 이송되는 방식인 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템.
제 1항에 있어서,
체여과방식 반응조는 중공(中空) 형식의 체다발로 묶어 구성한 여과체를 침적시켜 펌프로 처리수를 이송하는 방식인 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템.
제 1항에 있어서,
체여과방식 반응조와 분리막 생물반응조에 중력 구배를 두고 중력 구배 부분에 여과체를 설치하는 방식인 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템.
제 2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
분리막 생물반응조내의 일부 처리수를 체여과방식 반응조로 순환시키는 순환펌프가 더 설치된 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 시스템.
유입된 처리수를 체여과방식 반응조의 여과체를 통과시키는 공정과;
체여과방식 반응조의 후단에 연결된 분리막 생물반응조를 통해 생화학적 미생물 처리와 분리막 처리가 함께 진행되는 공정과;
분리막 생물반응조내의 일부 처리수를 순환펌프를 통해 체여과방식 반응조로 순환시키는 공정을 포함하여;
분리막 생물반응조의 처리 부하를 크게 줄이도록 구성한 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 방법.
제 6항에 있어서,
여과체는 체여과실의 벽체 형태 또는 체다발 형태로 설치되거나 분리막 생물반응조와의 중력 구배 부분에 설치되어 수 처리가 진행되는 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물공정 방식을 이용한 하수처리 방법.