KR20140104627A - 분리막을 이용한 활성 미생물 그래뉼의 회수가 가능한 오폐수 처리장치 및 이를 이용한 오폐수 처리방법 - Google Patents

분리막을 이용한 활성 미생물 그래뉼의 회수가 가능한 오폐수 처리장치 및 이를 이용한 오폐수 처리방법 Download PDF

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KR20140104627A KR1020130018202A KR20130018202A KR20140104627A KR 20140104627 A KR20140104627 A KR 20140104627A KR 1020130018202 A KR1020130018202 A KR 1020130018202A KR 20130018202 A KR20130018202 A KR 20130018202A KR 20140104627 A KR20140104627 A KR 20140104627A
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Abstract

본 발명은 하수 및 오폐수의 처리에 있어 활성 미생물 그래뉼 회수를 극대화하고 안정적인 처리수질을 얻기 위한 공정에 관한 것이다. 이를 위해 별도의 그래뉼회수조와 분리막조를 구비하여 그래뉼회수조에서는 활성이 높은 미생물 그래뉼과 비활성고형물을 신속하게 분리하여 그래뉼은 반응조로 반송하여 공정 내에 고농도의 그래뉼을 확보하고, 침전되지 않는 비활성고형물은 분리막조로 유입하여 여과를 통하여 우수한 처리수를 확보한다. 오염물을 분해하는 단계는 생물반응조를 혐기조, 무산소조 및 호기조의 순서로 각각 분리하여 질소 및 인을 제거하며, 그래뉼 회수조 1에서 비활성고형물과 처리수로부터 종속영양미생물의 그래뉼을 회수하여 상기 혐기조의 전단으로 반송하고 종속영양미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 상기 호기조로 이송하며, 호기조 후단의 그래뉼 회수조 2에서 독립영양미생물의 그래뉼이 회수되어 호기조의 전단으로 반송하며 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하여 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 것이 특징이다.

Description

분리막을 이용한 활성 미생물 그래뉼의 회수가 가능한 오폐수 처리장치 및 이를 이용한 오폐수 처리방법{Wastewater processing apparatus using membrane for recovering active granule of microorganism and method using the same}
본 발명은 오폐수 처리기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리막을 이용하여 활성이 높은 그래뉼을 효과적으로 회수하여 공정 내에 유지하고, 비활성 고형물은 분리막을 이용하여 선택적 분리/농축하여 공정 밖으로 배출하여 반응조는 높은 활성을 유지하고 비활성 고형물은 공정 밖으로 신속하게 배출하여 오폐수를 짧은 시간 내에 효율적으로 처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
생물학적 오폐수 처리공정은 공정 내에 활성을 가진 미생물을 유지하면서 미생물과 오염물질을 반응조 내에서 접촉시키고 미생물이 오염물질을 분해하기 위해 필요한 반응이 일어날 수 있는 시간과 조건을 유지함으로써 달성된다. 따라서 오염물질의 처리속도는 공정 내에 활성미생물이 얼마나 존재하는가에 의해 결정된다. 공정 내에 많은 미생물을 확보하기 위해 일반적인 생물학적 처리공정은 도 1과 같이 반응조 후단에 미생물과 처리수를 분리하기 위한 침전지를 구비한다. 침전지는 반응조와 달리 교란이 방생하지 않도록 설계/운영되며 미생물과 처리수가 분리 되도록 유도하고 분리된 미생물을 공정 내로 반송함으로써 반응조 내에 고농도의 미생물이 유지되도록 하는 역할을 수행한다.
생물학적 처리공정에 이용되는 미생물은 매우 다양하나 사용하는 탄소원에 따라 종속영양미생물과 독립영양미생물로 구분되어 지고, 이러한 미생물은 비중이 약 1.1~1.2 정도로 침전이 매우 천천히 이루어지기 때문에 침전지에서 분리/농축할 수 있는 미생물의 농도의 한계가 있다. 일반적으로 오폐수 처리공정의 침전지에서 침전을 통하여 분리/농축할 수 있는 미생물의 농도는 약 5,000 mg/L 이하로 알려져 있고 이와 같이 반응조에서 유지할 수 있는 미생물의 농도의 한계로 인하여 더 많은 미생물을 공정 내에 확보하기 위해서는 반응조의 부피를 증가시켜야 할 수밖에 없다. 반응조의 부피의 증가는 공사비의 증가를 수반하기 때문에 활성미생물을 극대화하여 반응조의 크기를 줄이면서 높은 처리효율을 달성하기 위한 노력이 진행되어 왔다.
이러한 목표를 달성할 수 있는 방법 중 하나가 미생물 그래뉼을 활용하는 것인데, 미생물 그래뉼은 미생물이 고농도로 고정되어 있는 입상슬러지로서 외부 매개체 없이 세포끼리 응집하여 생성된 된 것으로 생물막과 구분되며, 미생물 그래뉼은 하수 과정 중 특정조건에서 미생물 엉김물(floc)의 자가응집(self-immobilization)을 통해 형성되며, 호기성 그래뉼과 혐기성 그래뉼로 구분할 수 있다. 미생물 그래뉼은 단위 g당 수백만 개의 활성 미생물을 포함하는 고밀도 미생물 군체이며 다양한 박테리아 종을 군집체 안에 포함하고 있다. 미생물 그래뉼의 형태와 크기는 운전조건에 따라 다양한데 일반적으로 0.2 ~ 7mm의 입경 범위의 매끄러운 표면형태를 보인다(도 2 참조). 따라서 슬러지 엉김물(floc)과는 육안으로 확연히 구분이 가능하며 엉김물(floc)상태와 비교하여 균일하고 밀도가 높은 단단한 구조로 되어있어 우수한 침전특성을 가진다. 침전성의 지표가 되는 SVI(Sludge Volume Index: 오니의 용량지표를 말하며 활성오니의 폭기조 내 혼합액을 1,000mL 메스실린더에 취해 30분간 정치 후의 오니 1g이 점유하는 용적(mL)을 말함)의 경우 일반적인 오폐수 처리공정의 슬러지는 80~120mL/g 이나 미생물 그래뉼의 SVI는 80mL/g으로 침전이 신속하게 이루어진다. 따라서 고액분리가 용이하고 슬러지 부상과 같은 침전문제를 예방할 수 있으며 침전시간 및 침전지의 부피를 줄일 수 있다. 따라서 공정 내에 고농도로 유지가 가능하기 때문에 반응조의 부피를 줄일 수 있어 부지나 비용을 절감할 수 있다. 또한, 미생물 균체가 고밀도로 응집되어 있고 EPS(Extracelluar Polymeric Substance) 매트릭스로 보호되기 때문에 외부의 충격부하 및 독성물질에 대한 저항성이 높다. 그 외에 EPS표면에 흡착기능이 있어 중금속의 제거도 가능하다. 또한, 별도의 담체를 사용하지 않기 때문에 미생물 탈리의 문제가 없다는 장점을 가진다.
(특허문헌 1) KR 100513352 B1
혐기성 그래뉼 슬러지를 활용한 오폐수 처리장치에 관한 종래기술인 등록특허공보(KR 100513352 B1)는 막이 침지된 생물학적 처리조 및 혐기성 그래뉼 슬러지가 충진된 반응조가 결합된 오폐수처리장치에 대한 것으로, 생물학적 처리조 외에 따로 혐기성 그래뉼 슬러지를 충진한 ABR(Anaerobic Baffled Reactor) 반응조 또는 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응조를 설치하고, 반응조 내의 혐기성 그래뉼 슬러지의 활성 유지 및 반응조 내의 생물막의 과도한 성장을 막기 위하여 전단의 생물학적 처리조에 막을 침지하여 막을 통하여 처리수를 뽑아내고, 뽑아낸 처리수를 반응조에 주입하여 고농도 질소를 포함하는 폐수에서 유기물과 질소를 제거하고자 하였다.
(특허문헌 2) KR 1020120089495 A
한편, 호기성 그래뉼 슬러지를 활용한 오폐수 처리장치에 대한 종래기술인 공개특허공보(KR 1020120089495 A)는 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 오폐수 처리장치 및 방법에 관한 것으로, 호기성 그래뉼 슬러지를 반응조 상부에 도입하여 호기성 그래뉼 슬러지 내에 층별로 존재하는 슬러지 군집에 의하여 질산화 및 탈질이 이루어지고 그래뉼화된 슬러지의 높은 침강성으로 빠른 시간 내에 고액분리가 가능하고 순간적인 유기물 충격부하가 발생하여도 안정적으로 유기물을 제거하고자 하였다.
일반적으로 오폐수 처리에 사용되는 질산화 미생물, 탈질미생물, 인축적미생물(PAO: Phosphate Accumulating Organisms), 인 및 질소 동시제거 미생물(dPAO: denitirifying Phosphate Accumulating Organisms), 글리코겐축적미생물(GAO: Glcogen Accumulating Organisms) 등 대부분의 미생물군에서 그래뉼화가 가능하기 때문에 어떤 오염물질 처리에도 적용이 가능하다.
그러나 그래뉼을 실제 오폐수 처리에 적용하는 데는 치명적인 문제가 있다. 이러한 문제는 도 3과 같이 다양하게 구성되는 오폐수의 특성에 기인한다. 즉 오폐수 내에 용존성물질(SCOD: Soluble chemical oxygen demand, SCOD = SI + SS, SI: Soluble inert COD, SS: Readily biodegradable COD)만 존재하면 공정 내에는 활성미생물과 활성미생물의 부산물이 존재하게 되지만, 실제로 오폐수에는 입자성 물질(XCOD = XI + XS, XI: Inert suspended organic matter, XS: Slowly inert COD)이 다량 존재하여 공정 내에는 활성미생물, 미생물부산물, 생물학적으로 분해 불가능한 휘발성 고형물(XI = NBDVSS), 비휘발성 고형물(FSS: Fixed Suspended Solids)가 함께 혼합되어 존재(FSS + TCOD)하게 된다(TCOD = XCOD + SCOD, XCOD = NBDVSS(생물학적 분해 불가능한 유기물) + BDVSS(생물학적 분해가능한 유기물)). 이렇게 다양한 형태의 고형물이 혼합되어 있는 것은 혼합액 현탁고형물(MLSS: Mixed Liquor Suspended Solids)이라 하는데 혼합액 현탁고형물에서 활성미생물만을 선택적으로 회수하는 것은 기술적으로 매우 곤란하다.
미생물 그래뉼의 경우 일반적인 부유물질에 비해 침전성이 우수하기 때문에 침전의 차이를 이용하여 다른 고형물과 분리/회수가 어느 정도 가능하다. 따라서 미생물 그래뉼을 이용하여 실제 오폐수를 처리할 때 미생물 그래뉼을 제외한 다른 고형물은 침전이 제대로 이루어지지 않고 처리수와 같이 유출되기 때문에 결과적으로 처리수질이 악화되어 수질기준 준수가 불가능하게 된다. 따라서 다양한 형태의 고형물이 존재하는 실제 오폐수를 처리하기 위하여 미생물 그래뉼을 적용하는 것은 현실적으로 어렵다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 활성 미생물 그래뉼을 활용하여 실제 오폐수를 처리함에 있어 분리막을 이용하여 미생물 그래뉼의 회수와 안정적인 처리수질 확보라는 목표를 동시에 달성하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오폐수 처리장치는, 미생물 그래뉼과 비활성 고형물을 침전속도 차를 이용하여 신속하게 분리하여 그래뉼은 공정 내로 반송하고 침전이 되지 않는 비활성 고형물은 분리막을 이용하여 분리/농축하여 안정적인 처리수질을 확보하고 폐기된 슬러지의 부피 저감을 동시에 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 공정 내에 고농도의 미생물 그래뉼은 선택적으로 우점화 시킬 수 있고 오염물질 정화능력이 없는 비활성 고형물은 선택적으로 분리/배출함으로써 반응조의 활성을 극대화할 수 있다. 또한, 분리막의 경우 일반적인 분리막 공정보다 고형물의 부하가 경감되기 때문에 투과속도가 높게 유지되어 적은 분리막으로도 많은 처리수를 분리할 수 있어 분리막의 설치비용이 절감된다. 또한, 무기성 고형물만을 선택적으로 분리하기 때문에 미생물의 성장에 의해 분리막이 막히는 현상을 저감시킬 수 있게 되어 유지관리가 용이하고 분리막의 세정에 필요한 약품을 절감할 수 있다. 따라서 실제 오폐수를 처리함에 있어 반응조의 미생물 활성을 극대화하여 반응조의 크기를 줄일 수 있고, 높은 투과속도를 유지하여 분리막의 설치비가 절감되어서 결과적으로 전체적인 초기 투자비가 낮아지게 되며, 막의 유지관리가 용이해지고 관리비용이 저감되고 발생하는 슬러지의 양이 줄어들어 전체적인 운전비의 절감이 가능하다 또한 미 침전된 비활성 고형물은 분리막으로 여과함으로써 우수한 처리수를 안정적으로 확보할 수 있다.
도 1은 기존 오폐수 처리공정 개념도이다.
도 2는 하수처리에서 발생하는 일반적인 그래뉼을 나타내는 사진이다.
도 3은 오폐수 내 함유된 다양한 물질의 특성과 관련된 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 그래뉼회수조 및 분리막이 적용된 오폐수 처리장치의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 생물반응조가 혐기조, 무산소조, 호기조 및 그래뉼회수조로 구분된 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 생물반응조가 혐기조, 무산소, 그래뉼 회수조 1, 호기조 및 그래뉼 회수조 2로 구분된 개념도이다.
본 발명은 오폐수의 처리효율의 증대를 위한 종래의 수처리공정을 개선함과 동시에 그 처리효율을 더욱 증대하기 위한 새로운 공정을 제시한다. 이를 달성하기 위하여 그래뉼을 적용하여 다양한 오염물질이 혼합되어 있는 오폐수를 처리하는 공정과 분리막여과 공정을 효율적으로 결합하였다. 분리막 오염현상을 최소화하기 위하여 분리막 공정 전단에 그래뉼을 이용한 생물반응조, 혐기조, 무산소조 및 호기조를 구성함으로써 분리막여과 공정으로 유입되는 유입수의 혼합액 현탁고형물(MLSS: Mixed Liquor Suspended Solids)의 농도를 최소화시키고, 생물반응조 내 미생물의 농도를 20,000mg/L 이상으로 유지시켜 유기물 및 영양염류의 처리를 극대화하고, 소유부지 면적을 최소화할 수 있다.
미생물 그래뉼의 성장 및 오염물의 분해가 발생하는 생물반응조, 미생물 그래뉼 및 비활성고형물을 분리하는 그래뉼회수조, 비활성고형물과 처리수를 분리하는 분리막조를 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치로, 상기 생물반응조는 혐기조, 무산소조, 호기조의 순서로 구성되어 질소 및 인을 제거할 수 있는 것이 특징이고, 또한 그래뉼회수조는 그래뉼 회수조 1과 그래뉼 회수조 2로 분리되어 구성되고, 그래뉼 회수조 1에서는 종속영양미생물의 그래뉼이 회수되어 혐기조의 전단으로 반송되고, 그래뉼 회수조 2에서는 독립영양미생물의 그래뉼이 회수되어 호기조의 전단으로 반송되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치에 관한 것이다.
첫 번째 오폐수의 처리방법은 다음의 단계로 이루어진다. (a) 오폐수를 생물반응조로 유입하여 미생물 그래뉼의 성장을 유도하고 오염물을 분해하는 단계; (b) 생물반응조의 후단에 설치된 그래뉼회수조에서 비활성고형물과 처리수로부터 미생물 그래뉼을 회수하여 생물반응조의 전단으로 반송하는 단계; (c) 상기 그래뉼회수조에서 미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하는 단계; 및 (d) 상기 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 단계를 포함하는오폐수 처리방법에 관한 것이다.
첫 번째 오폐수의 처리방법은 다음의 단계로 이루어진다. (a) 오폐수를 생물반응조로 유입하여 미생물 그래뉼의 성장을 유도하고 오염물을 분해하는 단계; (b) 생물반응조의 후단에 설치된 그래뉼회수조에서 비활성고형물과 처리수로부터 미생물 그래뉼을 회수하여 생물반응조의 전단으로 반송하는 단계; (c) 상기 그래뉼회수조에서 미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하는 단계; 및 (d) 상기 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 단계를 포함하는오폐수 처리방법에 관한 것이다.
또 다른 실시 예에 따른 오폐수의 처리방법은 다음의 단계로 이루어진다. (a) 오폐수를 혐기조, 무산소조 및 호기조의 순서로 구성된 생물반응조로 유입하여 미생물 그래뉼의 성장을 유도하고 오염물을 분해하는 단계; (b) 상기 호기조의 후단에 설치된 그래뉼회수조에서 비활성고형물과 처리수로부터 미생물 그래뉼을 회수하여 혐기조의 전단으로 반송하는 단계; (c) 상기 그래뉼회수조에서 미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하는 단계; 및 (d) 상기 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 단계를 포함하는 오폐수 처리방법에 관한 것이다.
또 다른 실시 예에 따른 오폐수의 처리방법은 다음의 단계로 이루어진다. (a) 오폐수를 혐기조, 무산소조, 그래뉼 회수조 1, 호기조 및 호기조 후단의 그래뉼 회수조 2의 순서로 구성된 생물반응조로 유입하여 미생물 그래뉼의 성장을 유도하고 오염물을 분해하는 단계; (b) 상기 그래뉼 회수조 1에서 비활성고형물과 처리수로부터 종속영양미생물의 그래뉼을 회수하여 상기 혐기조의 전단으로 반송하고 종속영양미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 상기 호기조로 이송하여 처리하는 단계; (c) 상기 호기조 후단의 그래뉼 회수조 2에서 독립영양미생물의 그래뉼이 회수되어 호기조의 전단으로 반송하는 단계; (d) 상기 그래뉼 회수조 2에서 독립영양미생물의 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하는 단계; 및 (e) 상기 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 단계를 포함하는 오폐수 처리방법에 관한 것이다.
상기의 각각의 오폐수 처리방법에 있어서 분리막조에서 분리된 비활성고형물은 별도의 농축분리막조에서 분리막을 통하여 농축 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 몇 가지 실시 예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 쉽게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 공정을 구성한다. 도 4를 참조하면, 본 발명은 생물반응조, 그래뉼 회수조, 분리막조, 농축분리막조로 구성된다.
오폐수가 생물반응조로 유입되면 생물학적 분해가 가능한 오염물질은 반응조 내의 그래뉼에 의해 생물학적 반응을 통하여 분해가 발생하며, 이를 통하여 추가적인 그래뉼이 형성된다. 반응조는 주어진 조건에 따라 유기물 산화, 질소 산화, 탈질을 통한 질소 제거, 인 제거가 이루어진다. 생물반응조에서 수행되는 생물처리공정에서는 활성슬러지의 농도를 20,000mg/L 이상으로 유지시킴으로써 미생물에 의한 유기물 처리 및 질산화(Nitrification), 탈질화(Denitrification) 반응을 극대화할 수 있다. 분해가 완료된 오폐수는 반응조 말단의 그래뉼회수조로 유입된다. 그래뉼회수조에서는 짧은 체류시간에 그래뉼과 비활성 고형물이 분리된다. 침전성이 우수하여 신속하게 침전된 그래뉼은 펌프를 이용하여 생물반응조 전단으로 반송한다. 침전이 되지 않는 비활성 고형물은 분리막조로 유입되어 공칭공경 0.001 ~ 0.4μm 의 크기를 갖는 분리막을 통하여 여과되어 처리수 및 고형물이 분리된다. 처리수는 방류되고 분리된 비활성 고형물은 농축분리막조로 유입되어 농축 후 최종적으로 공정 밖으로 배출된다.
오폐수 내에는 다양한 오염물질이 존재하는데 이를 제거하기 위한 반응조건이 다양하고 효과적인 오염물질의 제거를 위하여 혐기조, 무산소조 및 호기조를 적절히 구성할 수 있게 된다.
도 5는 질소 및 인을 제거하기 위한 공정에 본 발명의 그래뉼 회수 및 분리막 기술을 적용한 것이다. 인을 제거하기 위한 혐기조와 탈질을 통하여 질소를 제거하기 위한 무산소조, 암모니아성 질소를 산화하기 위한 호기조로 구성된다. 첫 번째 분리막조를 거친 후 탈질에 필요한 질산성 질소를 반송하기 위한 내부반송은 무산소조 전단으로 이루어진다.
유입되는 오폐수는 먼저 혐기조에서 인 제거 미생물(인 제거 통성 혐기성 미생물(PAOs)에는 에어로박터(Aerobacter), 알칼리지니스(Alcaligenes), 바실러스(Bacillus), 브레비박테리움(Brevibacterium), 플라보박테리움(Flavobacterium), 락토바실러스(Lactobacillus), 마이크로코커스(Micrococcus) 등이 바람직함)을 이용해 외부로부터 유입되는 오폐수 내 인의 용출과 유기물 섭취 및 저장의 주요 기능을 갖는데 이때 인의 용출의 경우 미생물 세포 중에 축적된 폴리인산인(Poly-phosphate)을 오르토인산인(Ortho-phosphate) 형태로 혼합액에 방출하면서 인의 용출이 이루어지게 되고, 유기물 섭취 및 저장의 경우 혼합액 중 유기물은 세포 내에 섭취됨과 동시에 상기 섭취된 유기물은 글리코겐 및 PHB(Poly Hydroxy Butyrate)를 주체로 한 PHA(Poly Hydroxy Alkanoate) 즉 이차 대사산물로서 세포 내에 저장되게 되거나 무산소 단계에서도 인의 섭취가 가능한 탈질 인 제거 박테리아(Dentrifying Phosphorous Removing Bacteria: DPB)라는 미생물 등을 이용함으로써 낮은 산소요구량(COD)의 환경에서도 생물학적으로 인이 제거되게 되고, 상기 혐기조 내에는 인제거미생물과 오폐수의 혼합이 충분히 이루어질 수 있도록 교반기가 설치될 수 있다. 그 후 무산소조에서 질소가 제거되는 탈질반응이 일어나게 되는데, 유입되는 오폐수 중에 존재하는 유기물을 전자수용체로 하여 미생물의 그래뉼에 의한 탈질이 일어나고 이 과정에서 유기물이 동시에 제거된다. 만약, 무산소조에서 탈질이 충분히 이루어지지 않는다면 외부 유기탄소원을 인위적으로 주입함으로써 탈질 효율을 높일 수도 있다. 그 후 처리수는 암모니아성 질소를 산화하기 위한 호기 공정을 거치게 되는데, 호기조에서는 처리수에 포함된 암모니아성 질소가 질산성 질소로 질산화되며, 무산소조에서 제거되지 않은 유기물이 산화되어 이산화탄소로 전환된다. 분해가 완료된 오폐수는 반응조 말단의 그래뉼회수조로 유입된다. 그래뉼회수조에서는 짧은 체류시간에 그래뉼과 비활성 고형물이 분리되는데, 침전성이 우수하여 신속하게 침전된 그래뉼은 펌프를 이용하여 혐기조 전단으로 반송한다. 침전이 되지 않는 비활성 고형물은 분리막조로 유입되어 공칭공경 0.001 ~ 0.4μm의 크기를 갖는 분리막을 통하여 처리수 및 고형물이 분리된다. 처리수는 유출되고 분리된 비활성 고형물은 농축분리막조로 유입되어 농축 후 최종적으로 공정 밖으로 유출되며 탈질에 필요한 질산성 질소를 반송하기 위한 내부반송은 무산소조의 전단으로 이루어진다.
도 6은 질소 및 인을 제거하기 위한 공정으로 도 5와 목적은 동일하지만 종속영양미생물인 인 제거 및 탈질 미생물과 독립영양미생물인 질산화 미생물의 활성을 극대화하기 위해 그래뉼회수조를 2개로 서로 분리되게 구성하여 종속영양미생물(종속영양형 혐기성 미생물로서는, 메탄생성 세균(예를 들면 메타노사르시나(Methanosarcina)속, 메타노트릭스(Methanothrix)속, 메타노박테리움 (Methanobacterium)속, 메타노브레비박터(Methnobrevibacter)속, 황산환원세균-예를 들면, 디설포비브리오(Desulfovibrio)속, 디설포토마큘럼(Desulfotomaculum)속, 디설포박테리움(Desulfobacterium)속, 디설포박터(Desulfobacter)속, 디설포코커스 (Desulfococcus속)), 질산환원세균(예를 들면, 바실러스(Bacillus)속, 락토바실러스(Lactobacillus)속, 에어로모나스(Aeromonas)속, 스트렙토코커스 (Streptococcus)속, 마이크로코커스(Micrococcus속)), 산생성 세균(예를 들면, 클로스트리듐(Clostridium)속, 아세티비브리오(Acetivibrio)속, 바세로이데스 (Baceroides)속, 루미노코커스(Ruminococcus속)), 통성 혐기성 세균(예를 들면, 바실러스(Bacillus)속, 락토바실러스(Lactobacillus)속, 에어로모나스(Aeromonas)속, 스트렙토코커스(Streptococcus)속, 마이크로코커스(Micrococcus속)) 등을 들 수 있는데, 특히 바실러스(Bacillus)속, 슈도모나스(Pseudomonas)속, 에어로모나스(Aeromonas)속, 스트렙토코커스(Streprococcus)속, 마이크로코커스 (Micrococcus)속은 산화형태 질소환원활성을 가지기 때문에 바람직함))의 그래뉼은 그래뉼 회수조 1에서 회수하여 혐기조 전단으로 반송함으로써 혐기조-무산소조에서 활동하게 하고 독립영양미생물인 질산화 미생물(니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로백터(Nitrobacter), 코맨모나스(Comamonas), 플라보박테리움(Flavobacterium), 다스고노모나스(Dysgonomonas) 니트로소모나스 유로파(Nitrosomonas europaea), Nitrosomonas spp., Nitrosospira spp., Nitrobacter spp. genus Nitrospira 등)의 그래뉼은 그래뉼 회수조 2에서 회수하여 호기조의 전단으로 반송함으로써 호기조에서 활동하게 함으로써 각 미생물의 최적조건을 지속적으로 구현시키기 위한 것이다. 이러한 경우 종속영양미생물로 구성된 그래뉼과 독립영양미생물로 구성된 그래뉼이 별도로 생성/유지되어 최적의 조건에서 최대의 활성을 유지할 수 있다. 따라서 결과적으로 짧은 체류시간에 많은 오염물을 처리할 수 있게 된다.
유입되는 오폐수는 먼저 혐기조에서 인 제거 미생물(인 제거 통성 혐기성 미생물(PAOs)에는 에어로박터(Aerobacter), 알칼리지니스(Alcaligenes), 바실러스(Bacillus), 브레비박테리움(Brevibacterium), 플라보박테리움(Flavobacterium), 락토바실러스(Lactobacillus), 마이크로코커스(Micrococcus) 등이 바람직함)을 이용해 외부로부터 유입되는 오폐수 내 인의 용출과 유기물 섭취 및 저장의 주요 기능을 갖는데 이때 인의 용출의 경우 미생물 세포 중에 축적된 폴리인산인(Poly-phosphate)을 오르토인산인(Ortho-phosphate) 형태로 혼합액에 방출하면서 인의 용출이 이루어지게 되고, 유기물 섭취 및 저장의 경우 혼합액 중 유기물은 세포 내에 섭취됨과 동시에 상기 섭취된 유기물은 글리코겐 및 PHB(Poly Hydroxy Butyrate)를 주체로 한 PHA(Poly Hydroxy Alkanoate) 즉 이차 대사산물로서 세포 내에 저장되게 되거나 무산소 단계에서도 인의 섭취가 가능한 탈질 인 제거 박테리아(Dentrifying Phosphorous Removing Bacteria: DPB)라는 미생물 등을 이용함으로써 낮은 산소요구량(COD)의 환경에서도 생물학적으로 인이 제거되게 되고, 상기 혐기조 내에는 인제거미생물과 오폐수의 혼합이 충분히 이루어질 수 있도록 교반기가 설치될 수 있다. 그 후 무산소조에서 질소가 제거되는 탈질반응이 일어난다. 유입되는 오폐수 중에 존재하는 유기물을 전자수용체로 하여 미생물의 그래뉼에 의한 탈질이 일어나고 이 과정에서 유기물이 동시에 제거된다. 만약, 무산소조에서 탈질이 충분히 이루어지지 않는다면 외부 유기탄소원을 인위적으로 주입함으로써 탈질 효율을 높일 수도 있다. 그래뉼 회수조 1에서 종속영양미생물의 그래뉼은 회수되어 혐기조의 전단으로 반송하고 처리수는 암모니아성 질소를 산화하기 위한 호기 공정을 거치게 되는데, 호기조에서는 처리수에 포함된 암모니아성 질소가 질산성 질소로 질산화 되며, 무산소조에서 제거되지 않은 유기물이 산화되어 이산화탄소로 전환된다. 분해가 완료된 오폐수는 그래뉼 회수조 2로 유입된다. 그래뉼 회수조 2에서는 짧은 체류시간에 독립영양 미생물의 그래뉼과 비활성 고형물이 분리된다. 침전성이 우수하여 신속하게 침전된 독립영양 미생물의 그래뉼은 펌프를 이용하여 호기조의 전단으로 반송한다. 침전이 되지 않는 비활성 고형물은 분리막조로 유입되어 여과를 통하여 처리수 및 고형물이 분리된다. 처리수는 유출되고 분리된 비활성 고형물은 농축분리막조로 유입되어 농축 후 최종적으로 공정 밖으로 유출되며 탈질에 필요한 질산성 질소를 반송하기 위한 내부반송은 무산소조 전단으로 이루어진다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 미생물 그래뉼을 사용한 생물반응조, 혐기조, 무산소조 및 호기조 내 미생물의 농도를 20,000mg/L 이상으로 유지시킴으로써 오폐수 내 유기물 및 영양염류를 빠른 시간 내에 안정적으로 처리가 가능하고 오폐수 처리를 위한 부지면적을 최소화할 수 있다. 또한, 분리막조로 유입되는 활성슬러지의 농도를 저감시켜 분리막 오염을 최소화할 수 있어 분리막의 오염을 가중시키는 물질을 제거하기 위하여 반드시 필요한 세정공정의 에너지 사용이 감소할 뿐만 아니라 공정이 단순해져 전체 처리공정이 단순해지는 효과를 가진다.
이상에서는 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형할 수 있음은 자명하다.
SI: Soluble inert COD
SS: Readily biodegradable COD
SCOD: Soluble chemical oxygen demand, SCOD = SI + SS
XI: Inert suspended organic matter
XS: Slowly inert COD
XCOD: XI + XS
TCOD: XCOD + SCOD
NBDVSS: 생물학적 분해 불가능한 유기물
BDVSS: 생물학적 분해가능한 유기물
FSS: Fixed Suspended Solids

Claims (8)

  1. 미생물 그래뉼의 성장 및 오염물의 분해가 발생하는 생물반응조, 미생물 그래뉼 및 비활성고형물을 분리하는 그래뉼회수조, 비활성고형물과 처리수를 분리하는 분리막조를 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리막조에서 분리된 비활성고형물을 별도의 분리막을 통하여 농축하는 농축분리막조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 생물반응조는 혐기조, 무산소조, 호기조의 순서로 구성되어 질소 및 인을 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래뉼회수조는 그래뉼 회수조 1과 그래뉼 회수조 2로 분리되어 구성되고, 그래뉼 회수조 1에서는 종속영양미생물의 그래뉼이 회수되어 혐기조의 전단으로 반송되고, 그래뉼 회수조 2에서는 독립영양미생물의 그래뉼이 회수되어 호기조의 전단으로 반송되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.
  5. (a) 오폐수를 생물반응조로 유입하여 미생물 그래뉼의 성장을 유도하고 오염물을 분해하는 단계;
    (b) 생물반응조의 후단에 설치된 그래뉼회수조에서 비활성고형물과 처리수로부터 미생물 그래뉼을 회수하여 생물반응조의 전단으로 반송하는 단계;
    (c) 상기 그래뉼회수조에서 미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하는 단계; 및
    (d) 상기 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 단계를 포함하는 오폐수 처리방법.
  6. (a) 오폐수를 혐기조, 무산소조 및 호기조의 순서로 구성된 생물반응조로 유입하여 미생물 그래뉼의 성장을 유도하고 오염물을 분해하는 단계;
    (b) 상기 호기조의 후단에 설치된 그래뉼회수조에서 비활성고형물과 처리수로부터 미생물 그래뉼을 회수하여 혐기조의 전단으로 반송하는 단계;
    (c) 상기 그래뉼회수조에서 미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하는 단계; 및
    (d) 상기 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 단계를 포함하는 오폐수 처리방법.
  7. (a) 오폐수를 혐기조, 무산소조, 그래뉼 회수조 1, 호기조 및 호기조 후단의 그래뉼 회수조 2의 순서로 구성된 생물반응조로 유입하여 미생물 그래뉼의 성장을 유도하고 오염물을 분해하는 단계;
    (b) 상기 그래뉼 회수조 1에서 비활성고형물과 처리수로부터 종속영양미생물의 그래뉼을 회수하여 상기 혐기조의 전단으로 반송하고 종속영양미생물 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 상기 호기조로 이송하여 처리하는 단계;
    (c) 상기 호기조 후단의 그래뉼 회수조 2에서 독립영양미생물의 그래뉼이 회수되어 호기조의 전단으로 반송하는 단계;
    (d) 상기 그래뉼 회수조 2에서 독립영양미생물의 그래뉼과 분리된 비활성고형물과 처리수를 분리막조로 이송하는 단계; 및
    (e) 상기 분리막조에서 비활성고형물과 처리수를 분리하는 단계를 포함하는 오폐수 처리방법.
  8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리막조에서 분리된 비활성고형물은 별도의 농축분리막조에서 분리막을 통하여 농축 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리방법.
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