KR100402304B1 - 내부순환형 생물학적 하·폐수 처리장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부순환형 생물학적 하·폐수 처리장치 및 그 운전방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 하·폐수의 생물학적 처리를 위한 반응조는 반응조의 중앙부에 유입수 이송용 원통관이 설치되고, 반응조 하부에는 십자형 스크레이퍼를 장착하고, 반응조의 최하부에는 반송라인을 설치하여 이 반송라인이 반응조의 상부로 연결되어 처리수를 순환할 수 있게 하며, 반응조 상부의 외측에는 경사진 침전조를 설치하고 반응조의 내부에 산소공급용 산기관을 설치하여서 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 하·폐수 처리장치는 질산화와 탈질반응이 단일 반응조내에서 반복적으로 진행되면서 유기물과 질소가 제거되며, 중간층의 미생물 접촉조에서의 원활한 유기물과 질산화물의 접촉으로 인하여 질소제거 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 협소한 공간에서도 설치가 가능하고 운전이 용이하여 전문인력이 부족한 국내 실정에 적합한 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

내부순환형 생물학적 하·폐수 처리장치 및 방법{Biological wastewater treatment system and methods using internal recycling}

본 발명은 내부순환형 생물학적 하·폐수 처리장치 및 그 운전방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 다량의 유기물과 질소를 함유하고 있는 생활하수나 산업폐수를 내부순환형의 처리조에서 생물학적으로 정화하는 장치와 이를 이용한 효율적 하·폐수 처리방법에 관한 것이다.

현대사회의 급속한 발달과 더불어 도시화·공업화에 따른 하·폐수의 발생량이 기하급수적으로 늘어나고 있음에 반해 적절한 처리 없이 무단 방류되는 경우가 많아 하천의 수질을 크게 오염시키고 있는 실정이다. 한편, 최근 국내의 수자원의 부족 및 환경보존차원에서 하천 및 호소수질에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 하천의 부영양화의 원인인 질소·인 제거에 대한 이목이 집중되고 있다. 이에 따라 하·폐수로부터 질소·인 제거 공정들이 다수 개발되고 있으며, 한편으로는 국외로부터 기술도입이 활발히 진행되고 있으나, 국내에 소개되고 있는 많은 기술들이 외국 공법의 변형이거나 국내 실정에 적합하지 않는 공정으로 제기능을 발휘하지 못하는 경우가 많은 실정이다.

한편, 종래 하·폐수내에 함유된 유기물 및 질소를 제거하는 데에는 경제적인 이유로 생물학적 처리 공정이 가장 많이 이용되고 있다. 이러한 생물학적 처리 공정에서 하·폐수내의 질소·인 제거 공정은 혐기조, 무산소조, 호기조를 조합하여 처리하거나, 또는 단일 반응조를 이용하여 혐기, 무산소, 호기 조건을 교대로 운전하는 원리가 이용되고 있다. 그러나 상기 종래의 하·폐수 처리 공정의 경우 여러 개의 반응조가 필요하거나 또는 단일 반응조의 경우에도 적절한 혐기 및 호기 조건을 유지시키기가 어려운 단점이 있다. 또한 혐기조를 배치하는 경우 유기물이 1차적으로 분해되어 탈질 반응시 유기물이 부족하여 외부탄소원을 첨가해 주어야 하므로 유지비용이 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 혐기조, 무산소조, 호기조, 침전조에서 처리되는 공정을 모두 단일 반응조에서 처리할 수 있게 하는 장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 반응조는 상·하부를 호기영역과 무산소 영역으로 구성하고 중간부를 미생물 접촉 영역으로 구성한 후 상부의 호기 영역에서 질산화를 유도하고, 질산화가 완료된 미생물은 중간부의 미생물 접촉 영역으로 침전되며, 이 과정에서 유입된 유기물과 질산화물이 혼합되며, 혼합이 완료된 후 미생물들은 하부의 무산소 영역으로 이송되며, 무산소 영역에서는 탈질 미생물에 의해 질산화물을 탈질화시킴으로써 최소한의 공간을 활용하여 유기물 및 질소제거 효율을 극대화하여 본 발명을 완성하였다.

도 1은 본 발명에 의한 생물학적 하·폐수 처리장치의 개략적 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 호기영역 2 : 미생물 접촉 영역

3 : 무산소 영역 4 : 유입관

5 : 유입수 이송 통로(원통) 6 : 내부 반송관

7 : 내부 반송노즐 8 : 공기 공급관

9 : 산기관 10 : 침전영역

11 : 메디아 12 : 잉여슬러지 배출관

13 : 유출관 14 : 스크레이퍼

15 : 스크레이퍼 구동모터

본 발명에 따른 하·폐수의 생물학적 처리를 위한 반응조는 반응조의 중앙부에 유입수 이송용 원통관이 설치되고, 반응조 하부에는 십자형 스크레이퍼를 장착하고, 반응조의 최하부에는 반송라인을 설치하여 이 반송라인이 반응조의 상부로 연결되어 처리수를 순환할 수 있게 하며, 반응조 상부의 외측에는 경사진 침전조를 설치하고 반응조의 내부에 산소공급용 산기관을 설치하여서 구성됨을 특징으로 한다.

특히, 상기 반응조에서 중앙부에 설치된 유입수 이송용 원통관을 반응조의 전체깊이의 60%이상 85%이내까지 연장됨을 특징으로 하면 보다 바람직하다. 만일 유입수의 이송용 원통관이 60%이하로 삽입되면 유입되는 유기물이 호기 영역과 접촉되어 탈질반응에 필요한 유기물이 충분히 유지되지 않으며, 반면 유입수 이송용 원통관이 85%이상으로 삽입되면 미생물과의 접촉이 원활하지 못한 단점이 있다.

본 발명에 따른 생물학적 하·폐수 처리 반응조의 또다른 특징은 반응조의 하부바닥을 콘(corn)형으로 하여 반송 및 배출라인을 반응조의 중앙 최하부에 배치하는 것이다.

더욱이, 본 발명은 상기 구성으로 된 하·폐수 처리용 단일 반응조로 사용하여 처리하고자 하는 하·폐수를 유입수 이송용 원통관으로 공급하고 스크레이퍼(Scraper)를 원주속도 3∼5m/분로 회전시키면서 반송라인을 통해 하·폐수를 반송하여 생물학적으로 하·폐수를 정화 처리함을 특징으로 한다.

상기 구성에 따른 본 발명의 하·폐수 처리 장치는 원형 반응조 중심부를 원기둥형으로 구획화하여 하·폐수를 유입함으로써 유입되는 하·폐수중의 유기물이 호기 영역에 직접 접촉되어 제거되는 것을 방지하여 탈질반응에 필요한 유기물이 충분히 유지되도록 한다. 또한 반응조의 최하부에 스크레이퍼를 장착하여 조의 바닥에 쌓인 슬러지를 중심부로 모아줌으로써, 내부 반송라인에 의해 호기 영역으로의 미생물 반송이 원활토록 하며, 다른 한편으로는 슬러지를 적절히 혼합해줌으로써 침전된 탈질 미생물의 탈질반응을 극대화하도록 한다.

한편, 반응조의 상부 즉, 호기 영역의 외측의 침전조 내부에는 비표면적이 큰 플라스틱 메디아를 충진하였다. 메디아를 충진함으로써 얻을 수 있는 효과는 무산소 영역에서 1차 침전된 후 유출되는 미세플럭을 제거할 수 있고, 특히 메디아에서는 미세플럭의 제거 효과뿐만 아니라 잔류하는 질산화물을 탈질시키는 기능도수행한다. 이때 잔류 질산화물이 탈질되면서 유기물도 일정량 소모하므로 잔류 유기물의 제거 효과도 기대할 수 있다.

본 발명의 작용 효과를 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 특징중 하나인 조의 중앙부분에 원통형 통로인 유입수 이송용 원통관을 설치하여 유입되는 원수를 조의 중간에 위치한 미생물 접촉 영역으로 직접 이송되도록 함으로써, 상기 중간의 원통관이 호기 영역과 유입수를 엄격하게 구분해 줌으로써 유입수내의 유기물이 호기 영역에서 소모되어 버리는 것을 방지할 수 있고 무산소 영역으로 전달되는 유기물 부하를 증가시켜 탈질에 필요한 유기물을 충분히 공급할 수 있게 한다. 무산소 영역에서는 유입되는 유기물을 분해하면서 상당량의 인방출이 발생하게 되는데, 이는 호기 영역에서 미생물로 하여금 인의 과잉섭취를 유발하므로 전체적인 인제거 효과를 노릴 수 있게 한다. 이와 같이 유입수를 직접 조의 중간부까지로 이송할 수 있는 유입수 이송용 원통관을 설치하여 유입원수와 호기 영역을 구획화 함으로써 질소 및 인제거 효율 향상을 기대할 수 있다.

한편, 무산소 영역에서는 이송용 원통관을 통해 미생물 접촉부로 유입된 유기물을 이용하여 질산화물을 탈질화시킨다. 유입수의 질소성분은 호기 영역에서 질산화물로 전환되고 무산소 영역으로 이동하여 탈질화가 완료된다. 또한 잔류 질산화물은 내부 반송을 통하여 연속적으로 순환하면서 탈질이 완료된다. 또한, 무산소 영역에 있어서 또다른 기능은 호기 영역에서 유기물과 질소성분을 섭취한 미생물들의 침전지 역할이다. 따라서 무산소 영역에서는 5,000∼10,000㎎/ℓ정도로 고농도의 미생물 농도가 유지되며, 탈질화 미생물을 다량 확보함으로써 탈질효율도향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 또다른 특징으로 조의 최하부에 스크레이퍼를 설치함으로써 침전슬러지를 중앙부로 모을 수 있도록 하였다. 또한 스크레이퍼의 회전속도를 빠르게 하여 침전된 슬러지를 적절하게 혼합하는 역할도 수행할 수 있도록 하였다. 스크레이퍼를 장착함으로써 얻을 수 있는 또 다른 효과는 침전슬러지를 정체시키지 않고 지속적으로 혼합할 수 있어 조내 슬러지의 고른 활성화가 가능하다는 점과 중앙부에 모아줌으로써 슬러지 배출과 반송이 용이하다는 점이다. 이에 의해 종래 과정의 문제점 중의 하나인 무산소 영역에서 침전된 침전슬러지의 적절한 혼합이나 배출, 반송 등에 어려움을 해소하였다.

상부의 호기 영역에서는 반응조 중간부에 설치된 산기관에 의해 공급된 산소를 이용하여 유기물의 분해반응과 암모니아 성분의 질산화 반응이 진행된다. 1차적으로 무산소 영역에서 탈질반응에 이용되고 남은 잔류 유기물은 직접 혹은 슬러지 반송에 의해 호기 영역으로 이송되어 호기성 미생물들에 의해 제거된다. 유입된 질소 성분은 호기 영역으로 반송되어 세포합성에 이용되며, 남은 질소성분은 질산화된다.

종래 단일 반응조를 이용한 하·폐수 처리 공정에서는 내부반송을 반응조의 중간부에서 호기 영역으로 하는 구성인데, 이는 침전이 완료된 반응조 하부보다 미생물 농도가 낮은 반응조 중간부에서 내부반송을 함으로써 반송유량이 커지게 되는 단점이 있다. 그런데 상기한 구성에 따른 본 발명에서는 스크레이퍼에 의해 반응조의 하부 중앙부로 모인 슬러지를 직접 반송함으로써 동일한 반송 효과, 즉 동일양의 미생물을 반송하는데 필요한 반송유량이 그만큼 적어질 수 있다는 것이다. 일 실험에 따르면, 미생물 농도를 기준으로 반응조 중간부에서는 5,000∼6,000㎎/ℓ인데 비하여 반응조 하부에서는 8,000∼10,000㎎/ℓ이므로 동일한 양의 미생물을 반송시키기 위한 반송유량을 기존 공정에 비하여 40% 이하로 감소시킬 수 있다. 따라서 동일한 유량을 반송시킬 경우 잔류 암모니아 성분을 2배 이상 호기조로 반송시켜 질산화시킬 수 있고 탈질이 완료된 미생물은 연속적으로 상부의 호기조로 반송되어 활성화된다.

상기와 같은 처리 과정에서 호기 영역의 미생물들은 반응조 중간부의 미생물 접촉 영역에서 1차적으로 침전되는데, 이때 일부의 미세플럭은 유실될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 호기 영역 외부에 침전영역을 설치하여 미세플럭을 2차 침전시킬 수 있도록 하였다. 침전부 내부에는 비표면적이 큰 플라스틱 메디아를 충진하여 침전효율의 향상과 함께 무산소 영역에서 탈질이 안된 잔류 질산화물을 최종적으로 탈질화되도록 유도하였다.

이하, 본 발명을 일 실시예를 예를 들어 도면을 참고로 보다 자세히 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 의한 생물학적 하·폐수 처리장치의 개략적 도면이다. 외형적으로 원형반응조의 내부 반응조와 메디아가 충진된 외부의 경사판 침전조로 구성되어 있다. 내부 반응조가 미생물의 운전 상태에 따라 무산소 영역(3), 미생물 접촉 영역(2) 및 호기 영역(1)으로 각각 15%, 25%, 60%로 구분되어 있다. 반응조의 중간에는 전체 반응조 직경의 12% 정도의 원통형 구획(5)과 스크레이퍼 구동모터(15)가 장착되어 있다. 또한 반응조 바닥은 경사각 10%의 구배가 형성되어 있고, 무산소 영역에는 스크레이퍼(14)가 장착되어 있다. 반응조 중심의 최하부에서 슬러지 반송(6) 및 배출(12)이 이루어진다.

호기 영역의 외부에 위치한 침전 영역(10)은 전체부피의 15∼20%로 수리학적 체류시간(HRT)이 2∼3시간 정도이며, 내부에 충진된 메디아(11)는 비표면적이 큰 합성수지제 메디아로써 침전조 부피의 70∼80% 정도가 된다. 침전조 분리대는 호기조내의 미생물이 경사판 침전조로 흘러 넘치는 것을 최소화하기 위하여 호기 영역과 경사판 침전조 사이에 설치된다.

상부의 호기 영역(1)은 전체 부피의 40∼45%정도로 수리학적 체류시간은 5∼6시간 정도이다. 호기 영역에서 미생물 농도는 2,000∼3,000㎎/ℓ정도로 유지되며 호기성 미생물에 의한 유기물 제거와 질산화 박테리아에 의한 암모니아 및 유기성 질소의 질산화 반응이 진행된다. 이때 필요한 산소는 전체높이의 60% 아래인 미생물 접촉 영역(2)과 호기 영역의 경계부분에 설치된 산기관(9)을 통하여 공급된다.

호기 영역의 직하부에 위치한 미생물 접촉 영역(2)은 전체 부피의 약 25%를 차지하여 수리학적 체류시간은 3∼4시간 정도이다. 미생물 접촉 영역에서는 미생물 농도가 5,000∼6,000㎎/ℓ정도로 유지된다. 한편, 무산소 영역(3)은 전체 부피의 15%정도로 수리학적 체류시간이 약 2∼3시간이며, 무산소 영역에서의 미생물 농도는 8,000∼10,000㎎/ℓ정도로써 고농도 미생물을 보유한다.

무산소 영역에 장착된 스크레이퍼(14)는 원주속도가 3∼5m/분 정도로 일반하수처리장의 침전지에 설치된 스크레이퍼 보다는 다소 큰 원주속도를 갖는다. 조의 바닥은 콘(corn)형으로 경사각이 약 10%정도로 슬러지가 중심부로 모일 수 있도록 하였다. 조의 중앙 최하부에는 슬러지 반송(6) 및 배출관(12)을 설치하여 고농도의 슬러지를 인출할 수 있도록 하였다. 이때 슬러지의 반송량 및 배출량은 유입수의 성상 및 운전조건에 따라 다르게 적용될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 하·폐수 처리장치는 질산화와 탈질반응이 단일 반응조내에서 반복적으로 진행되면서 유기물과 질소가 제거되며, 중간층의 미생물 접촉조에서의 원활한 유기물과 질산화물의 접촉으로 인하여 질소제거 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 협소한 공간에서도 설치가 가능하고 운전이 용이하여 전문인력이 부족한 국내 실정에 적합한 장점이 있는 유용한 발명이다.

특히, 본 발명에 따른 하·폐수 처리 장치를 이용하여 하·폐수 처리할 경우 유입 하·폐수내에 함유된 유기물은 미생물 접촉 영역 및 무산소 영역을 거치면서 30∼40% 정도가 제거되고, 호기 영역을 거치면서 잔류 유기물의 80∼90%가 제거되며, 또한 이 과정에서 질소성분도 70∼80% 정도 제거되고, 경사판 침전조를 포함한 전 공정을 통하여 얻을 수 있는 제거 효율은 유기물에 대하여 90∼95%, 질소성분에 대하여 75∼85%정도가 되어 하·폐수 처리능이 우수할 뿐 아니라, 유입수내 유기물중 상당부분은 무산소 영역에서 제거되므로 슬러지 발생량이 상대적으로 적은 특징이 있으며, 별도의 침전조가 없으므로 미생물 관리가 용이하다.

Claims (4)

1. 반응조의 중앙부에 유입수 이송용 원통관이 설치되고, 반응조 하부에는 십자형 스크레이퍼를 장착하고, 반응조의 최하부에는 반송라인을 설치하여 이 반송라인이 반응조의 상부로 연결되어 처리수를 순환할 수 있게 하며, 반응조 상부의 외측에는 경사진 침전조를 설치하고 반응조의 내부에 산소공급용 산기관을 설치하여서 구성됨을 특징으로 하는 내부순환형 생물학적 하·폐수 처리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반응조에서 중앙부에 설치된 유입수 이송용 원통관을 반응조의 전체깊이의 60%이상 85%이내까지 연장됨을 특징으로 하는 내부순환형 생물학적 하·폐수 처리장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 반응조의 하부바닥을 콘(corn)형으로 하여 반송 및 배출라인을 반응조의 중앙 최하부에 배치하여 구성됨을 특징으로 하는 내부순환형 생물학적 하·폐수 처리장치.
4. 제 1항 기재의 구성으로 된 하·폐수 처리용 단일 반응조를 사용하여 처리하고자 하는 하·폐수를 유입수 이송용 원통관으로 공급하고 스크레이퍼(Scraper)를 원주속도 3∼5m/분로 회전시키면서 반송라인을 통해 하·폐수를 반송하여 생물학적으로 하·폐수를 정화 처리함을 특징으로 하는 내부순환형 생물학적 하·폐수 처리방법.