KR100638319B1 - 중수 재이용을 위한 하이브리드 컴파운드 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수(빗물)를 포함하지 않은 하수, 건축물 내의 배수, 수세식 변소의 대·소변기에서의 배수(분뇨 오수), 주방배수를 포함한 가정하수 등의 오수를 중수로 재활용하기 위해, 유량조정조(10)와, 무산소조(20)와, 생물막조(30)와, MBR조(40)와, 오존처리조(50)와, 방류조(60)로 구성된 중수 재활용 시스템에 관한 것으로, 상수를 이용하지 않아도 되는 곳에 각종 오수를 재활용한 중수를 사용함으로써, 대도시의 물부족현상을 예방하며, 궁극적으로는 자원을 재활용한다는 점에서 매우 경제적이다.

오수, 중수, 재활용, 분리막, 산기관

Description

중수 재이용을 위한 하이브리드 컴파운드 시스템{DS-GR-HCS}

제 1도는 본 발명에 따른 오수 재활용 처리 순서도.

제 2도는 본 발명에 따른 오수 재활용 시스템의 개략도.

제 3도는 본 발명에 따른 MBR조를 도시한 개략도.

제 4도는 본 발명에 따른 폴리에틸렌 담체를 도시한 개략도.

* 도면의 주요부호의 설명 *

10 : 유량조정조 20 : 무산소조 30 : 생물막조

40 : MBR조 60 : 방류조 200: 산기관

201: 산기통관 202: 에어공급관 203: 분사관

301: 유입관 401: 스크린 402: 분리막 모듈

본 발명은 우수(빗물)를 포함하지 않은 하수, 건축물 내의 배수, 수세식 변소의 대·소변기에서의 배수(분뇨 오수), 주방배수를 포함한 가정하수 등의 오수를 중수로 재활용하기 위해, 유량조정조(10)와, 무산소조(20)와, 생물막조(30)와, MBR 조(40)와, 오존처리조(50)와, 방류조(60)로 구성된 중수 재활용 시스템에 관한 것으로, 상수를 이용하지 않아도 되는 곳에 각종 오수를 재활용한 중수를 사용함으로써, 대도시의 물부족현상을 예방하며, 궁극적으로는 자원을 재활용한다는 점에서 매우 경제적이다.

물은 사람이 생활을 유지함에 있어서, 꼭 필요한 자원으로써 현재 전 세계의 물부족 현상과 물의 오염으로 인해 현실적으로 사용 가능한 수자원의 확보는 매우 어려운 상황으로, 우리나라의 경우, 연 강수량의 2/3가 여름철에 집중되는 등 수자원의 계절별·지역별 편중이 세계최고 수준으로 안정적인 수자원확보가 매우 어려워, 가뭄이 장기화될 경우 극심한 물부족사태를 일어날 수 있다.

이와 같은 우려에도 불구하고 현재 충분히 재활용이 가능함에도 불구하고 그대로 버려지는 수자원이 많아 자원의 적절한 재활용이 이뤄지지 않아, 환경오염은 물론 수자원의 부족을 야기하는 문제점을 갖고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명에서는 1차적인 처리만으로 방류되는 오수를 재처리하여 중수로 재활용함으로써, 자원 재활용에 따른 경제성은 물론이거니와, 물부족현상을 억제하고 환경개선이 일조할 수 있는 오수재활용 시스템의 제공을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하고자, 본 발명에서는 유입된 오수의 양이 급격히 증감하는 것을 제어하면서, 그 저부에 구비되어 있는 산기장치로 일정량의 에어를 공급하여 슬러지의 침강과 부패방지를 유도하는 유량조정조와,

상기 유량조정조로부터 유입된 오수의 질소, 인 처리를 위한 무산소조와,

상기 무산소조를 거친 오수를 PE담체를 이용하여 유기물을 분해하는 생물막조와,

상기 생물막조를 거친 오수를 분리막을 통과시켜 수처리 하는 MBR조와,

미생물에 의해 유기물이 처리된 오수를 오존을 접촉시켜 처리하는 오존처리조와,

상기 오존처리조에서 처리된 처리수를 일정시간 동안 체류시켰다가 외부로 방출시키는 방류조로 이루어지되,

상기 MBR조는 생물막조에서 처리된 오수를 유입관을 통해 유입하고, 유입된 오수를 MBR조 내부에 설치되어 있는 분리막 모듈로부터 이격되어 있는 0.3 ~ 0.4mm의 메쉬 구조의 스크린을 통과시켜 협잡물을 처리하고, 협잡물이 처리된 오수를 분리막모듈을 통과시켜 미세 물질을 처리하는 곳으로, 상기 분리막 모듈의 저부에는 산기관을 구비하여 에어공급관을 통해 산기통관에 유입된 에어(air)를 분사관을 통해 분사하는 것으로, 그 분사관은 30 ~ 85˚의 예각으로 0.1 ~ 3mm 직경으로 형성되어 난류를 형성하여 분리막 모듈 표면의 케이크를 효율적으로 제거할 수 있도록 구성된 중수 재이용을 위한 하이브리드 컴파운드 시스템을 그 주요 구성으로 한다.

상기 유량조정조는 유입된 오수의 양이 급격히 증감하는 것을 제어하면서, 그 저부에 구비되어 있는 산기장치로 일정량의 에어를 공급하여 슬러지의 침강과 부패방지를 유도한다.

상기 무산소조는 질산성 질소(NO₃ ^-)가 질소 가스(gas, N₂)화되는 탈질반응으로 질소를 제거하게 된다.

상기 생물막조는 PE담체를 이용하여 수처리하는 것으로, PE담체에 부착되는 미생물에 의해 유기물을 분해하게 된다.

상기 MBR조는 생물막조에서 처리된 오수를 유입관을 통해 유입하고, 유입된 오수를 MBR조 내부에 설치되어 있는 분리막 모듈로부터 이격되어 있는 0.3 ~ 0.4mm의 메쉬 구조의 스크린을 통과시켜 협잡물을 처리하고, 협잡물이 처리된 오수를 분리막모듈을 통과시켜 미세 물질을 처리하는 곳으로, 상기 분리막 모듈의 저부에는 산기관을 구비하여 에어공급관을 통해 산기통관에 유입된 에어(air)를 분사관을 통해 분사하는 것으로, 그 분사관은 30 ~ 85˚의 예각으로 0.1 ~ 3mm 직경으로 형성되어 난류를 형성하여 분리막모듈 표면의 케이크를 효율적으로 제거할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하고,

특히 오수는 MBR조를 거치면서 BOD 및 SS의 수치가 급격히 감소하게 되는데 이는 MBR조 내부에 구비되어 있는 0.3 ~ 0.4mm 메쉬구조의 스크린과 분리막모듈의 저부에 형성되어 있어 분리막모듈의 표면에 형성되어 있는 케이크를 주기적으로 청 소하여 주어 분리막의 효율을 높일 수 있도록 구성되어 있는 산기관에 의해 그 처리효율이 증가하기 때문이다.

상기 오존처리조는 오존발생기로부터 유입된 오존을 이용하여 수처리하는 것으로, MBR조를 거친 오수 중에 포함되어 있는 난분해성 물질을 제거하기 위한 곳으로, 오수의 최종처리조에 해당한다. 이와 같이 처리된 오수는 중수로 처리되어 방류조를 거쳐 외부로 방류하게 된다.

이하, 상기한 구성을 도면을 통해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다. 이에 앞서 도면을 간략히 살펴보면, 도 1은 유입된 오수를 유량조정조(10), 무산소조(20), 생물막조(30), MBR조(40), 오존처리조(50), 방류조(60)를 거쳐 중수로 재이용되는 처리 과정을 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 오수 재활용 시스템의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 MBR조를 도시한 개략도이다. 도 4는 본 발명에 따른 폴리에틸렌 담체를 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 오수를 이용한 중수 재이용 시스템은 유량조정조(10), 무산소조(20), 생물막조(30), MBR조(40), 오존처리조(50), 방류조(60)를 거쳐 오수가 중수로 재처리되어 이용된다.

상기 유량조정조(10)는 저부에 산기관을 구비하여 유량조정조 내부에 에어를 공급하여 줌으로써, 오수 중에 포함되어 있는 슬러지의 침강 및 부패를 방지하고, 오수의 유입량이 급격히 증가하거나 감소하는 것을 방지하여 무산소조(20)로의 유입량을 일정하게 유지시켜 준다.

상기 무산소조(20)에서는 질산성 질소(NO₃ ^-)가 질소 가스(gas, N₂)화되는 탈질반응으로 질소를 제거하게 되는 것으로, 그 반응 메카니즘은 다음과 같다.

2NO₃ ^- + 2(H₂) → 2NO₂ ^- + 2H₂O

2NO₂ ^- + 3(H₂) → N₂↑ + 2OH^- + 2H₂O

이는 질산성 질소를 슈도모나스(Pseudomonas), 바실루스(Bacillus)와 같은 탈질 미생물(denitrifier)을 이용하여 질산성 질소를 아질산성 질소로, 아질산성 질소를 질소가스로 하여 제거하는 과정을 거쳐 침출수 속에 포함되어 있는 질산성 질소를 유기물을 이용하여 질소가스로 변환시키는 공정으로, 질산성 질소(NO₃ ^-)가 질소 가스(gas, N₂)화되는 탈질반응으로 질소를 제거하고, 이와 같이 탈질처리된 침출수는 미생물에 의해 수처리되는 생물막조(30)로 이송되어 폭기처리되는 것으로, 폭기란, 물속에 공기를 불어넣거나 공중에 물을 살포하여 물과 공기를 충분히 접촉시키는 조작으로, 이와 같은 조작을 통해 산화작용과 호기성 세균에 의한 소화작용을 촉진하게 된다. 미생물은 소화작용에 의해 탄산가스, 황화수소, 메탄가스 등을 제거하는 것으로, 오수에 폭기하여 미생물로 하여금 물을 정화하게 하는 방법이다.

상기 생물막조(30)의 내부에는 폴리에틸렌(PE) 담체(31)가 구비되어 있어, 폴리에틸렌 담체(31)를 형성한 바이오 필터를 이용하여 동시에 제거 및 미생물의 특성상 발생하는 바이오 메스를 제거한다.

상기 미생물은 오페르쿨라리아(Opercularia), 카체시움(Carchesium), 주타미엄(Zoothamnium)를 동 비율로 혼합한 것을 사용한다. 이와 같이 구성된 미생물은 BOD가 높을수록 그 번식력이 증가하는 특징을 갖는다.

상기 폴리에틸렌(PE)담체(301)는 고밀도 폴리에틸렌 수지를 120 ~ 150℃에서 전기히터에 의하여 가열 용융시켜 형성되는 폴리머를 토출시켜 제조한 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 원통형으로 형성된 폴리에틸렌 담체(301)의 내,외주면에 주름턱부(302)를 형성하여 미생물의 고착 및 번식이 용이하도록 구성하여 수처리 효율을 높일 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. 이와 같이 생물막조(30)에서 폭기처리된 오수는 분리막을 통해 수처리 하는 MBR조(40)로 유입된다.

상기 폴리에틸렌 담체(301)는 폴리에틸렌 수지를 가열하여 토출시 가열온도는 120℃이하 또는 150℃로 사용할 경우에는 토출이 잘 이뤄지지 않는 문제점이 발생함으로 120 ∼ 150℃의 범위에서 가열 용융시켜 폴리머를 형성하는 것이 바람직하다.

상기 MBR조(40)는 분리막 모듈(402)의 표면에 부착되는 슬러지(케이크)를 산 기관(200)에서 뿜어져 나오는 강한 에어에 의해 MBR조(40)내에 난류를 형성하여 분리막을 효율적으로 사용할 수 있도록 구성된 것으로, 산기관(200)에서 뿜어져 나오는 강한 에어에 의해 MBR조(40)내의 산소의 농도를 유지하면서 분리막 모듈(402)의 막오염물질을 효율적으로 제거하여 전체적인 유기물질함유 폐수처리를 효율적으로 진행할 수 있는 것으로, 이와 같이 분리막에 형성된 막오염 물질 제거는 산기관(200)으로부터 상승하는 공기에 의해서뿐만 아니라 공기에 의해 발생되는 상승 수류에 의해서도 발생한다.

MBR조(40)의 구성을 살펴보면, MBR조(40)의 내측 외둘레로 0.3 ~ 0.4mm의 간격을 유지하는 메쉬구조의 스크린(401)이 원통형으로 형성되고, 이 같은 메쉬구조의 원통형 스크린(401)은 폐수 중에 포함되는 협잡물을 제거하여, 분리막모듈(402)의 수처리 기능이 저하되는 것을 일차적으로 방지한다.

이와 같은 스크린(401)외에 MBR조(40)의 내측 저부에는 산기관(200)이 구성되어 분리막모듈(402)로 강한 에어를 뿜어주어 분리막 표면을 청소하여 분리막의 수명과 수처리 효율을 증가시켜 준다.

상기 산기관(200)은 내약품성에 강한 합성수지재를 이용하여 사출성형 및 조립하여 제조된 것으로 산화부식성이 강한 것으로, 블로어(도면미도시)에서 공급된 에어를 에어공급관(202)을 거쳐 도 3에 도시된 바와 같이 산기통관(201)과 30 ~ 85°의 예각(θ)을 이루면서 형성된, 0.1 ~ 3mm의 직경을 갖는 분사관(203)으로 구성되는 것으로, 산기관의 기능은 산소가 폐수내에 녹아드는 양을 나타내는 산소전달량에 따라 결정되며, 산소전달량은 산소전달량은 공기방울의 크기, 송풍량, 산기관 의 형태, 공기방울의 확산정도, 공기방울의 폐,하수내 체류율(HOLD-UP), 산기관의 설치방법 및 유속 등에 의해 좌우된다.

상기 예각(θ)을 35°이하로 할 경우에는 분리막 모듈로 뿜어지는 에어의 강도가 매우 작아 케이크 층을 효율적으로 제거하기 힘들고, 85°이상으로 하는 경우에는 와류 및 난류의 형성이 어려우므로 35 ~ 85°의 각도로 에어를 쐬주는 것이 바람직하다.

이와 같은 산기관은 막에 쌓이는 케이크층을 제거하는데 최대한의 효과를 유도할 수 있도록 구성된 것으로. 반응처리수를 역으로 이송하여 분리막에 붙은 슬러지를 세척하는 단계와 병합하여 산기장치에서 뿜어져 나오는 강한 에어에 의해 분리막에 붙은 슬러지를 효율적으로 제거하여 분리막에 의한 폐수의 처리효율을 극대화하고, 이에 따른 분리막의 수명을 연장하여 전체적인 처리효율증가와 처리비용절감효과를 가져온다. 또한 처리공정이 간단하여 용이하게 설치 활용할 수 있다는 장점을 갖는다.

상기 오존처리조(50)는 MBR조(40)를 거친 오수를 오존접촉을 통해 최종적으로 처리하는 곳으로, MBR(40)로부터 유입된 오수를 오존발생기(31)로부터 유입되는 오존과 접촉시켜 난분해성 물질을 처리하여 최종적으로 오수를 중수로 재생산하게 된다.

이와 같은 오존을 이용한 수처리는 오존의 성질을 이용한 것으로, 오존은 3 개의 산소원자가 4가지 형상의 공명구조로 결합된 형태로 존재하며 오존이 자기분해할 때 생성되는 OH 라디칼은 강력한 산화력을 가지며 오염원 유기물질을 산화시키고, 중금속 등과 반응하여 무해한 화합물로 변화시키는 성질을 갖는 것으로, 이와 같은 오존을 이용하여 색도 제거, 고분자 화합물의 저분자화, COD, BOD 등 미세오염물질 감소의 목적으로 사용할 수 있다.

이와 같은 오존의 직접반응은 유기물과 오존분자가 직접 반응하여 일차 중간 생성물을 형성시키고 일차 중간 생성물질들은 다시 오존과 느리게 반응하여 다른 산화생성물 또는 최종 생성물로 전환된다. 또한, 오존의 간접반응은 한계 pH값 위에서 유기물과 반응에 앞서 자기분해되는 것으로, 이때 생성된 OH 라디칼과 같은 오존분해 중간 생성체가 중요한 산화제가 되어 유기물과 반응한다.

이상에서와 같은 오수 처리 시스템은 오수를 중수로 재활용할 수 있도록 하는 것으로, 대형업소, 위락시설, 가정 등에서 배출되는 오수의 성상은 주방 기름, 이물질, 비누 등이 대부분을 차지하고 있으며, 악취나 색소 등이 다량포함되어 있어, 생물학적 처리방법 등 통상의 기존의 처리방법으로 처리된 오수는 방류수 수질기준을 대체로 만족하기는 하지만 미세오염물질을 포함하고 있어, 재이용하기 위해서는 추가적이 처리가 필요한 것이다.

상기 방류조(60)는 오수를 최종처리하여 재처리된 중수에 소독을 하고 외부로 방류하게 된다.

이하, 중수 재이용을 위한 하이브리드 컴파운드 시스템을 통한 오수의 중수 재처리 과정을 살펴보도록 한다.

도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 유입된 오수는 유량조정조(10)에서 오수의 양이 급격히 증감하는 것을 제어하고, 유량조정조(10)의 저부에 구비되어 있는 산기장치로 일정량의 에어를 공급하여 슬러지의 침강과 부패방지를 유도하여 무산소조(20)로 이송된다.(S10)

이어서, 무산소조(20)로 이송된 오수는 슈도모나스(Pseudomonas), 바실루스(Bacillus)와 같은 탈질 미생물(denitrifier)을 이용하여 질산성 질소를 아질산성 질소로, 아질산성 질소를 질소가스로 하여 제거하는 과정을 거쳐 침출수 속에 포함되어 있는 질산성 질소를 유기물을 이용하여 질소가스로 변환시키는 질소처리과정을 거친 후 생물막조(30)로 이송된다.(S20)

이어서, 생물막조(30)로 이송된 오수는 오페르쿨라리아(Opercularia), 카체시움(Carchesium), 주타미엄(Zoothamnium)를 1:1:1로 혼합하여 투입한 호기성 미생물이 폴리에틸렌(PE)담체에 서식하면서 유기물을 분해하는 과정을 거쳐 유입관(31)을 통해 MBR조(40)로 이송된다.(S30)

이어서, MBR조(40)로 이송된 오수는 원통형 스크린(401)을 통해 입자가 큰 협잡물을 1차 제거하고, 1차 제거된 오수는 분리막 모듈(402)을 통해 분리막 처리되어 배출관(41)을 통해 오존처리조(50)로 이송되며, 이때 에어공급관(202)을 거쳐 산기통관(201)과 30 ~ 85°의 예각을 이루면서 형성된, 0.1 ~ 3mm의 직경을 갖는 분사관(203)에서 뿜어져 나오는 에어를 통해 와류 및 난류를 형성하여 분리막 모 듈(402)의 케이크가 제거되도록 한다.(S40)

이어서, 오존처리조(50)로 이송된 오수는 오존과의 접촉을 통해 색도 제거, 고분자 화합물의 저분자화, COD, BOD, 미세오염물질 감소를 유도하여 방류조(60)로 이송된다.(S50)

이어서, 방류조(60)로 이송된 오수는 체류 후 방류를 함으로써, 오수의 중수재활용 처리과정을 마무리하게 된다.(S60)

이와 같이 오수를 재처리하여 재생된 중수는 BOD가 10mg/ℓ이하로 그 수질처리기준에 부합되고, 대장균이나 잔류염소 등이 검출되지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 오수를 재처리하여 중수로 재활용하는 오수처리시스템은 현재 문제로 대두되고 있는 물부족문제의 해결방안을 제시하여 주며, 상수를 이용하지 않아도 되는 곳에 중수를 사용함으로써, 수자원의 절약과 환경개선을 가져온다.

Claims (3)

1. 유입된 오수의 양이 급격히 증감하는 것을 제어하면서, 그 저부에 구비되어 있는 산기장치로 일정량의 에어를 공급하여 슬러지의 침강과 부패방지를 유도하는 유량조정조(10)와,

   상기 유량조정조(10)로부터 유입된 오수의 질소, 인 처리를 위한 무산소조(20)와,

   상기 무산소조(20)를 거친 오수를 PE담체를 이용하여 유기물을 분해하는 생물막조(30)와,

   상기 생물막조(30)을 거친 오수를 분리막을 통과시켜 수처리 하는 MBR조(40)와,

   미생물에 의해 유기물이 처리된 오수를 오존을 접촉시켜 처리하는 오존처리조(50)와,

   상기 오존처리조조(50)에서 처리된 처리수를 일정시간 동안 체류시켰다가 외부로 방출시키는 방류조(60)로 이루어진 것에 있어서,

   상기 MBR조(40)는 생물막조(30)에서 처리된 오수를 유입관(301)을 통해 유입하고, 유입된 오수를 MBR조(40) 내부에 설치되어 있는 분리막 모듈(402)로부터 이격되어 있는 0.3 ~ 0.4mm의 메쉬 구조의 스크린(401)을 통과시켜 협잡물을 처리하고, 협잡물이 처리된 오수를 분리막모듈(402)을 통과시켜 미세 물질을 처리하는 곳으로, 상기 분리막 모듈(402)의 저부에는 산기관(200)을 구비하여 에어공급관(202)을 통해 산기통관(201)에 유입된 에어(air)를 분사관(203)을 통해 분사하는 것으로, 그 분사관(203)은 30 ~ 85˚의 예각으로 0.1 ~ 3mm 직경으로 형성되어 난류를 형성하여 분리막 모듈 표면의 케이크를 효율적으로 제거할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 중수 재이용을 위한 하이브리드 컴파운드 장치.
2. 청구항 1에 있어서, PE담체는 고밀도 폴리에틸렌 수지를 120 ~ 150℃에서 전기히터에 의하여 가열 용융시켜 형성되는 폴리머를 토출시켜 제조한 것으로, 원통형으로 형성된 폴리에틸렌 담체의 내,외주면에 주름턱부를 형성하여 미생물의 고착 및 번식이 용이하도록 구성된 것을 특징으로 하는 중수 재이용을 위한 하이브리드 컴파운드 장치.
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