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KR101097139B1 - 섬모볼담체 내장형 혐기/무산소성 미생물반응조 - Google Patents

섬모볼담체 내장형 혐기/무산소성 미생물반응조 Download PDF

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KR101097139B1
KR101097139B1 KR1020110066240A KR20110066240A KR101097139B1 KR 101097139 B1 KR101097139 B1 KR 101097139B1 KR 1020110066240 A KR1020110066240 A KR 1020110066240A KR 20110066240 A KR20110066240 A KR 20110066240A KR 101097139 B1 KR101097139 B1 KR 101097139B1
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anaerobic
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우광재
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Abstract

본 발명은 공공하수처리장, 폐수종말처리장, 산업단지/농공단지 폐수처리장, 마을하수처리장 등의 각종 하폐수처리공정에 있어서, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조 및 이를 이용한 하폐수처리방법에 관한 것이다.
본 발명은, 미생물들의 혐기기작에 의한 탈인반응을 수행하게 하는, 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 중앙부에 형성되는 하향흐름의 혐기성영역; 상기 혐기성영역 외측에 형성되어, 탈질미생물들의 무산소성기작에 의한 탈질반응을 수행하게 하는 상향흐름의 무산소성영역; 상기 혐기성영역 내부하측에 구성되어, 미생물에 의한 탈인반응이 혐기성영역 전체에서 이루어지도록, 유입되는 원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지를 혼합/교반하는 수중슬러지펌프; 및 통성혐기성 탈질미생물들이 부착되어 서식할 수 있게 하는 섬모볼담체가 상기 무산소성영역 내측에 현수식으로 설치되는 섬모볼담체(ciliary ball media)가 내장된 혐기/무산소성 미생물반응조 및 이를 이용한 유기물외에도 질소(N)/인(P)까지 추가적으로 처리할 수 있게 하는 하폐수 고도처리장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 표준활성슬러지법을 주처리공정으로 운전하고 있는 종래 하폐수처리시설에 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조 및 섬모볼담체를 도입하여, 상기 하폐수처리시설을 토목구조의 변경없이 간편하고 효과적으로 질소/인 고도화시설로 개선시킬 수 있다.

Description

섬모볼담체 내장형 혐기/무산소성 미생물반응조{Anoxic/anaerobic bioreactor embedded ciliary ball media}
본 발명은 공공하수처리장, 폐수종말처리장, 산업단지/농공단지 폐수처리장, 마을하수처리장 등의 각종 하폐수처리공정에 있어서, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조 및 이를 이용한 하폐수처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 미생물들의 혐기기작에 의한 탈인반응을 수행하게 하는, 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 중앙측에 형성되는 하향흐름의 혐기성영역; 상기 혐기성영역 외측에 형성되어, 탈질미생물들의 무산소성기작에 의한 탈질반응을 수행하게 하는 상향흐름의 무산소성영역; 상기 혐기성영역 내부하측에 구성되어, 미생물에 의한 탈인반응이 혐기성영역 전체에서 이루어지도록, 유입원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지를 혼합/교반하는 수중슬러지펌프; 및 통성혐기성 탈질미생물들이 부착되어 서식할 수 있게 하는 섬모볼담체가 상기 무산소성영역 내측에 현수식으로 설치되는, 섬모볼담체(ciliary ball media) 내장형 혐기/무산소성 미생물반응조 및 이를 이용한 유기물외에도 질소(N)/인(P)까지 추가적으로 처리할 수 있게 하는 하폐수 고도처리장치 및 방법에 관한 것이다.
지속되는 산업화와 도시화로 환경오염은 날로 심각해지고 있으며, 배출되는 하수, 폐수, 오수(이하 '하폐수'라 한다)의 형상 또한 매우 다양해지고 있으며, 이의 처리를 위한 시설 역시 고도화되고 처리비용도 증가되고 있는 실정이다. 또한, 완전히 처리되지 않은 하폐수 중의 수질오염물질이 하천이나 호소(湖沼)를 비롯한 기타 상수원에 유입됨에 따라 효율적인 수질관리에 많은 문제점을 발생시키고 있다.
현재 하폐수의 정화처리기술로는 여과설비, 약품응집, 침전, 산화처리 등의 물리화학적인 방법과, 활성슬러지가 저류된 생물반응조 내에서 미생물의 대사과정을 극대화하여 각종 오염물질을 제거하는 생물학적 처리방법이 있는데, 상기 물리화학적인 방법은 기존 처리시설 설비에 큰 변화를 주지 않고 부가적으로 설치하여 사용할 수 있으며, 안정적이고 높은 효율의 처리효과를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 경제적 측면과 기술적인 측면에서 대규모 처리설비를 설치운영 하기에는 무리가 있으며, 경우에 따라 잉여슬러지와 같은 다량의 처리부산물이 발생한다는 단점이 있다. 반면, 상기 생물학적 처리방법은 비용대비 처리효율측면에서 물리화학적 방법보다 유리하여 중소규모 뿐만 아니라 대규모의 하폐수를 처리하는 주처리공정으로 국내외 대부분의 하폐수처리공정에 이용되고 있다.
하폐수의 생물학적 처리방법 중, 기본공법이 되고 있는 표준활성슬러지법은 크게 최초침전지와 폭기조 그리고 최종침전지로 시설을 구성하여 공정을 수행한다. 우선, 상기 최초침전지에서 유입하폐수에 포함된 침강성고형물이 침전되어 제거되고(중소규모의 표준활성슬러지법에서는 최초침전조 대신에 유량조정조가 구성되어 유입하폐수가 일시 체류하였다가 일정한 유량으로 다음공정으로 이송된다), 크기가 큰 협잡물이 제거된 유입하폐수는 다음공정인 폭기조로 이송된다. 상기 폭기조에서 유입하폐수와 반송펌프에 의해 반송된 활성슬러지는 혼합되고, 상기 혼합액은 호기성미생물의 생화학적 반응에 의해 유기물이 분해/제거된다. 그리고 최종침전지로 이송되어 고체와 액체로 분리되고 상등수는 방류되며, 침전된 슬러지는 일부 폭기조로 반송시키고 나머지 잉여슬러지는 슬러지처리시설을 거쳐 처리된다.
반면, 하폐수의 유입-미생물반응-침전-배출공정이 단일반응조 내에서 일련의 과정으로 이루어지는 회분식반응조(SBR; sequencing batch reactor)는, 주반응조로 단일반응조를 이용하기 때문에 하폐수처리시설의 부지면적을 줄일 수 있으며; 침전지를 별도로 수용할 필요가 없으며; 및 자동화 시설에 의한 가동의 편리성을 제공하여 인건비가 절감된다는 장점들로 인하여 현재 중소규모 이상의 하폐수처리에 많이 이용되고 있는 생물학적 하폐수처리방법이다.
하지만, 상기 표준활성슬러지법 및 회분식반응조에는, 최근 이슈가 되고 있는 부영양화(eutrophication)의 원인물질로 작용하고 있는 질소와 인(phosphorus) 영양염류에 대한 제거공정으로서는 매우 미흡한 실정이다. 따라서 질소 및 인 영양염류에 대한 기능성 선택조(selector) 개발, 특히 하나의 반응조에서 탈질과 탈인공정을 효율적으로 수행하려는 연구들이 많이 시도되고 있다.
일례로, 대한민국 등록특허 10-0424060은 일체형 오폐수용 처리장치에 관한 것으로, 질산화조, 탈질조 및 침전조가 일체형인 하나의 본체로 구성되며, 상기 반응조의 높이를 7∼10m로 제작하여 기존의 폭기조에 비해 용존산소농도의 용해도가 증가되어 미생물의 활성도를 증대시키며 활성슬러지 농도를 고농도로 유지시킬 수 있으며, 질산화, 탈질화 및 침전이 한 공정에서 이루어지므로 시설부지면적을 줄일 수 있는 효율성이 증가되는 일체형 처리장치에 관한 발명인데, 상기 발명에서는 탈인기능을 수행하는 혐기성 선택조가 구비되어 있지 않기 때문에, 인(P)에 대한 제거는 저조할 뿐만 아니라 일체형으로 형성되어야 하기 때문에 대규모 처리시설에는 도입하기가 어려운 실정이다.
대한민국 등록특허 10-0397697 및 10-0468997은 하폐수처리에 있어서, 슬러지농도를 고농도로 유지하여 운전하는 상향류 혐기반응조를 폭기조 전단에 제공하여, 난분해성물질/독성물질/영양물질/중금속 등의 오염물을 제거하려는 생물학적 상향류 혐기반응조에 관한 발명인데, 상향류 혐기반응조의 슬러지 농도를 고농도로 유지하면 하폐수처리장의 농축조를 생략할 수 있기 때문에, 하폐수처리장의 시설부지는 물론 건설비용과 운전비용을 대폭 줄일 수 있다는 장점이 있는 반면에, 과도하게 고농도로 유지되는 상향류 혐기반응조 내에서는 단회로/단락류(short circuiting) 내지 밀도류가 발생하여 오염물질의 전체 제거효율이 저감될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 상향류 혐기반응조에는 탈질반응을 별도 수행하는 무산소성 선택조가 형성되어 있지 않기 때문에, 탈질반응과 탈인반응이 상호 간섭되어 질소/인 제거효율이 전체적으로 감소될 수 있는 우려가 있다.
대한민국 등록특허 10-0655471 및 공개특허 10-2010-0127984는 하폐수의 질소/인 영양염류를 제거하기 위한 상향류 생물반응조 및 장방형 상향류 혐기/무산소성 반응조에 관한 발명으로서, 유입하폐수와 내부반송수가 상기 상향류 생물반응조 내지 장방형 상향류 혐기/무산소성 반응조의 하부로 유입되어 상향류로 흐르면서 탈질되고, 처리수와 슬러지가 분리되어 그 중 처리수만 배출되는 상향류 생물반응조; 상향류 생물반응조에서 탈질된 처리수가 유입될 수 있도록 상향류 생물반응조의 배출측에 연결되며 상기 처리수에 대하여 질소의 질산화를 수행하는 생물막 담체가 내부에 설치된 폭기조; 및 상향류 생물반응조의 하부로 내부반송수가 유입될 수 있도록 상향류 생물반응조와 폭기조 사이에 연결/설치된 내부반송라인을 포함하여 구성되는데, 상기 발명에서도 혐기성기작인 탈인공정과 무산소성기작인 탈질공정이 구획화되지 않은 하나의 생물반응조에서 이루어지기 때문에, 특히 질산성질소(NO3-N)가 인-방출기작에 방해요소로 작용할 뿐만 아니라, '인방출-인과잉섭취' 사이클이 미비하여, 최근 핫이슈가 되고 있는 총인(T-P) 제거에는 효율성이 미치지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 10-0912562 및 10-0942053은 회분식반응조(SBR)를 이용한 하폐수처리장치에 관한 발명으로서, 회분식반응조 일측에 미생물배양기를 제공하여, 상기 미생물배양기에서 배양된 활성슬러지가 MLSS 및 MLVSS 농도를 최적화하도록 회분식 반응조로 공급되는, 원수 유입유량에 따른 공정조건을 조절하는 회분식 활성슬러지법을 개시하고 있는데, 상기 발명의 회분식 하폐수처리방법 및 처리장치를 사용함으로써 원수의 유입유량 및 유입농도 등 부하변동에 강하며, 슬러지의 플럭이 단단하고 침강성이 개선되어 하폐수 처리효율을 향상시킨다는 발명인데, 생물학적 반응은 상기 회분식 단일반응조에서 모두 이루어지기 때문에, 혐기성 탈인기작, 무산소성 탈질기작 및 호기성 질산화기작 등은 상호 간섭되어 전체적인 수질오염물질의 제거효율은 저하될 수 있다.
대한민국 등록특허 10-0407503은 연속회분식(SBR) 공법을 이용한 하폐수처리방법에 있어서, 유입원수 중에 포함된 유기물의 효율적인 이용에 의해 유입원수의 오염물질 농도 및 유량변화에도 고효율의 질소/인 제거효율을 얻을 수 있도록 하기 위하여, 유입원수를 연속적으로 수용하는 유량조정조와; 혐기조 또는 무산소조로 운전되는 다목적조와; 상기 다목적조의 후단에 위치하고 다목적조의 반응액을 수용하여 시간상 일련되게 처리하는 주반응조와; 상기 다목적조로부터 상기 주반응조로 반응액을 순환시키고 동시에 주반응조의 반응액을 교반시키기 위한 교반 및 액이송장치와; 상기 주반응조 내부에서 반송기가 반송기인양장치의 운전에 의해 수직이동하며, 하부에 연결되어 주반응조액을 다목적조로 이송시키는 반송배관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부순환형 연속회분식 반응장치에 관한 발명인데, 질소 및 인의 제거가 다목적조 하나의 반응조에서 수행되기 때문에 탈인기작과 탈질기작은 상기 발명들과 마찬가지로 상호 간섭받게 되어 질소/인 제거효율이 저하될 수 있다.
대한민국 등록특허 10-0563449는 회분식반응조(SBR)를 이용하여 하수에 포함된 유기물뿐만 아니라 질소/인 성분을 제거시키기 위하여, 하수를 호기성 상태로 연속폭기시키는 폭기조와; 폭기조에 비해 낮은 높이의 측벽을 가지며 폭기조 내부에 설치되며, 월류되는 하수슬러지를 연속침전 및 농축시킨 후 펌프로 배출시키는 침지농축조와; 하단부에는 와류방지판이 설치되며, 원수와 침지농축조에서 배출된 슬러지를 상향식으로 반송받아 혐기성 상태에서 교반시켜 인이 방출된 하수를 웨어(weir)를 통해 연속월류시키는 탈인조와; 폭기조의 일측부와 연통되도록 일측벽이 개구된 개구부를 구비하며, 길이방향으로 서로 나란히 설치되는 제 1반응조 및 제 2반응조와; 탈인조의 탈인된 하수가 제 1반응조와 제 2반응조에 교대로 유입되면서 교반되도록 교대운영되는 한쌍의 교반기; 및 제 1반응조와 제 2반응조에서 교대로 월류되는 정화된 상등수를 교대배출시키는 월류식 방류기를 구비하는 준회분식 하수처리장치 및 그 방법에 관한 발명인데, 상기 발명에서는 탈인조가 별도 제공되어 인(P) 제거효율은 우수할 수 있으나, 통성혐기성 탈질미생물에 의한 질소제거기작이 미비할 수 있다.
따라서 활성슬러지(activated sludge)를 이용하여 하폐수를 안정적으로 처리하기 위해서는, 유기물뿐만 아니라 질소(N)/인(P) 영양염류의 효율적인 제거방법까지도 강구되어야 하는데, 특히 질소/인 영양염류의 제거가 하나의 반응조에서 이루어지게 한다면 더욱 효과적이라 할 수 있다.
대한민국 등록특허 10-0424060 (2004.03.10)
대한민국 공개특허 10-0397697 (2003.08.29)
대한민국 등록특허 10-0468997 (2005.01.20)
대한민국 등록특허 10-0655471 (2006.12.01)
대한민국 공개특허 10-2010-0127984 (2010.12.07)
대한민국 등록특허 10-0912562 (2009.08.10)
대한민국 등록특허 10-0942053 (2010.02.04)
대한민국 등록특허 10-0407503 (2003.11.17)
대한민국 등록특허 10-0563449 (2006.03.16)
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조에 있어서, 미생물들의 혐기기작에 의한 탈인반응을 수행하게 하는, 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 중앙부에 형성되는 하향흐름의 혐기성영역; 상기 혐기성영역 외측에 형성되어, 탈질미생물들의 무산소성기작에 의한 탈질반응을 수행하게 하는 상향흐름의 무산소성영역; 상기 혐기성영역 내부하측에 구성되어, 미생물에 의한 탈인반응이 혐기성영역 전체에서 이루어지도록, 유입되는 원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지를 혼합/교반하는 수중슬러지펌프; 및 통성혐기성 탈질미생물들이 부착되어 서식할 수 있게 하는 섬모볼담체가 상기 무산소성영역 내측에 현수식으로 설치되는 섬모볼담체(ciliary ball media)가 내장된 혐기/무산소성 미생물반응조 및 이를 이용한 유기물외에도 질소/인까지 추가적으로 처리할 수 있게 하는 하폐수 고도처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 공공하수처리장, 폐수종말처리장, 산업단지/농공단지 폐수처리장, 마을하수처리장 등의 각종 하폐수처리공정에 있어서, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조를 제공하기 위해서, 미생물들의 혐기기작에 의한 탈인반응을 수행하게 하는, 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 중앙부에 형성되는 하향흐름의 혐기성영역(30-1); 상기 혐기성영역(30-1) 외측에 형성되어, 탈질미생물들의 무산소성기작에 의한 탈질반응을 수행하게 하는 상향흐름의 무산소성영역(30-2); 상기 혐기성영역(30-1) 내부하측에 구성되어, 미생물에 의한 탈인반응이 혐기성영역(30-1) 전체에서 이루어지도록, 유입원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지를 혼합/교반하는 수중슬러지펌프(37); 및 통성혐기성 탈질미생물들이 부착되어 서식할 수 있게 하는 섬모볼담체(50)가 상기 무산소성영역(30-2) 내측에 현수식으로 설치되는 섬모볼담체(50, ciliary ball media)가 내장되어 있는 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 및 이를 이용한 유기물외에도 질소/인까지 추가적으로 처리할 수 있게 하는 하폐수 고도처리방법을 제공한다.
특히, 본 발명은 상기 수중슬러지펌프(37)의 회전수(rpm)를 조절하여 상기 혐기성영역(30-1) 내에서의 교반속도를 조절할 수 있게 하는, 상기 수중슬러지펌프(37) 일측에 RPM 인버터(38)를 연계하여 제공할 뿐만 아니라, 오직 폭기공정만 수행되던 종래 폭기조(72)에 있어서, 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30")를 침지시켜 연계한 {혐기/무산소성 미생물반응조 결합형 폭기조}(81)를 이용하여 질소/인 제거효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 표준활성슬러지법의 고도화방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 활성슬러지를 주반응공정으로 이용하는 하폐수의 처리방법에 있어서, 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)가 내장되어 있는 혐기/무산소성 미생물반응조(30)를 제공함으로써 다음과 같은 효과를 획득할 수 있다.
(a) 하나의 반응조(30)에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어진다
(b) 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 내에서의 기능성 선택조(selector)는 구획화되어 있으므로, 탈인반응과 탈질반응이 상호간섭받지 않는다
(c) 혐기성영역(30-1)에서의 하향흐름 및 무산소성영역(30-2)에서의 상향흐름은, 전체 체류시간을 증가시킬 뿐만 아니라 단회로(short circuiting) 현상을 방지시킨다
(d) 혐기/무산소성 미생물반응조(30)의 무산소성영역(30-2)에는 탈질미생물들이 서식하는 섬모볼담체(50, ciliary ball media)가 내장되어 있으므로, 탈질미생물들의 계외유출을 방지함으로써 질소(N) 제거율을 월등히 향상시킬 수 있다
(e) 탈인반응을 위한 슬러지반송라인은 질산성질소(NO3-N)를 다량 함유하고 있는 질화액의 반송라인과는 별도 구별되어 있으므로, 인(P) 제거효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다
(f) 혐기/무산소성 미생물반응조(30)의 혐기성영역(30-1) 내부하측에 구성된 수중슬러지펌프(37)는, 유입원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지를 효과적으로 혼합/교반해줌으로써, 혐기성영역(30-1) 전체에서 미생물에 의한 탈인반응이 이루어지도록 한다
(g) 수중슬러지펌프(37) 일측에 연계된 RPM 인버터(38)는 최적 탈인반응속도를 구현하도록 혼합/교반속도를 조절한다
(h) 혐기성영역(30-1)의 수중슬러지펌프(37) 및 무산소성영역(30-2)에서의 섬모볼담체(50)는, 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 내에서의 활성미생물농도인 MLSS를 고농도로 운전할 수 있도록 해준다
(i) 고농도의 MLSS로 운전되는 혐기/무산소성 미생물반응조(30)는 유량변동 및 충격 부하에 강하게 해준다
(j) 고농도의 MLSS로 운전되는 혐기/무산소성 미생물반응조(30)는 동절기에도 탈인 및 탈질효율을 저하시키지 않는다
(k) 혐기/무산소성 미생물반응조(30)는 일체형이므로 신규설치 및 보수가 용이하다
(l) 기존 하폐수처리시설에 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 및 섬모볼담체(50)를 도입하여, 기존 하폐수처리시설을 토목구조의 변경없이 간편하고 효과적으로 질소/인 고도화시설로 개선시킬 수 있다.
도1은 일반적인 종래 회분식 하폐수처리시설의 처리계통도,
도2는 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조를 이용한 고효율 회분식 하폐수 처리계통도,
도3은 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조의 정면구성도,
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 섬모볼담체의 외형 및 내부형상도,
도5는 본 발명에 따른 섬모볼담체의 현수식 일실시예,
도6은 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조를 이용한 고효율 회분식 하폐수처리시설의 일실시예에 따른 평면도,
도7은 일반적인 종래 표준활성슬러지법을 이용한 하폐수처리시설의 처리흐름도,
도8은 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조를 이용한 표준활성슬러지법의 개선된 처리흐름도의 일시시예이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
11 : 유량조정조 13 : 종래 회분식반응조(SBR)
14 : 질화액이송조 15 : 슬러지저류조
16 : 처리수조 17 : 수중펌프
20 : 본 발명에 따른 회분식 하폐수처리시설 21 : 부상식배출장치(decanter)
30 : 혐기/무산소성 미생물반응조 30-1 :혐기성영역(anaerobic zone)
30-2 : 무산소성영역(anoxic zone) 31 : 유입부
32 : 유출부 33 : 중앙격벽
34 : 상부경사격벽 35 : 하부경사격벽
36 : 월류식 웨어(weir) 37 : 수중슬러지펌프
38 : RPM 인버터(inverter) 39 : 슬러지상승관
41 : 슬러지하강관 42 : 슬러지피트(pit)
50 : 섬모볼담체(ciliary ball media) 51 : 고정수단
52 : 프레임(frame) 53 : 섬모볼담체의 현수식유닛
54 : 공기공급수단(blower) 55 : 전동밸브
56 : 산기관(diffuser) 57 : 기포
60 : 본 발명에 따른 회분식반응조(SBR)
70 : 종래 표준활성슬러지법 71 : 수위감지기(level sensor)
72 : 폭기조 73 : 최종침전조
81 : 혐기/무산소성 미생물반응조 결합형 폭기조
상술한 바와 같이, 활성슬러지(activated sludge)를 이용하여 하폐수를 안정적으로 처리하기 위해서는, 유기물뿐만 아니라 질소(N)/인(P) 영양염류의 효율적인 제거방법까지도 강구되어야 하는데, 특히 질소/인 영양염류의 제거가 하나의 반응조에서 이루어지게 한다면 더욱 효과적이다.
이하, 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 및 이의 활용방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 하기와 같다.
도1은, 하폐수의 유입-미생물반응-침전-배출공정이 단일반응조 내에서 일련의 과정으로 이루어지는 회분식반응조(SBR)를 이용한 일반적인 종래 회분식 하폐수처리시설의 처리계통도이다. 도1의 회분식 하폐수처리방법은, 주반응조로 단일반응조를 이용하기 때문에 하폐수처리시설의 부지면적을 줄일 수 있으며; 침전지를 별도로 수용할 필요가 없으며; 및 자동화 시설에 의한 가동의 편리성을 제공하여 인건비가 절감된다는 장점들로 인하여 현재 중소규모 이상의 하폐수처리에 많이 이용되고 있는 생물학적 하폐수 처리방법이다.
도1에 있어서, 일반적인 회분식(SBR) 하폐수처리시설은 유량조정조(11)-회분식반응조(13, SBR)-슬러지저류조(15)-처리수조(16)로 구성되는데, 오염원으로부터 유입되는 유입하폐수는 유량조정조(11)에 일시 머물렀다가 주반응공정인 회분식반응조(13)로 일정유량 이송되어지고, 이송된 하폐수는 회분식반응조(13) 내에서 교반(혐기성 내지 무산소성)-폭기(호기성)-침전-배출의 일련의 과정을 통하여 유기물/SS/질소/인 등의 오염물질이 제거된다. 여기서, 회분식반응조(13)의 침전공정후 중력침전된 슬러지는 슬러지저류조(15)에서 농축/저류되었다가, 운전변수 중 슬러지체류시간(SRT)이 경과되면 계외로 잉여슬러지 상태로 처리되고, 최종적으로 회분식반응조(13)의 침전공정후 맑은 상등수는 처리수조(16)를 거쳐 계외로 방류된다.
상기의 회분식 하폐수처리방법은, 주반응조로 단일반응조를 이용한다는 장점이 있는 반면에, 모든 미생물공정 즉, 유기물분해공정, 질산화공정(호기성), 탈질공정(무산소성), 탈인공정(혐기성) 등이 하나의 회분식반응조(13)에서 모두 이루어지므로 각각의 미생물공정은 상호간섭받게 되어 전체적이 제거효율은 저감될 수밖에 없다. 일례로, 호기성 폭기공정에 따른 높은 용존산소(DO)는 탈질 및 탈인공정에, 그리고 질산화공정에 따른 질화액중의 질산성질소(NO3-N)는 탈인공정에 큰 방해요소로 작용한다. 따라서 유기물뿐만 아니라 질소(N)/인(P) 영양염류의 안정적인 제거를 위해서는 기존 회분식반응조(13)에 별도의 질소/인 제거수단이 요구된다.
상기과제를 해결하고자, 도2는 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30)를 이용한 고효율 회분식 하폐수 처리계통도로서, 본 발명에 따른 회분식반응조(60) 전단에 혐기/무산소성 미생물반응조(30); 및 본 발명에 따른 회분식반응조(60) 일측에 질화액이송조(14)가 추가/제공되어 구성된다.
이하, 도2의 고효율 회분식 하폐수 처리시설을 핵심적으로 구성하는, 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30)를, 도3을 참조하여 상세히 설명하면 하기와 같다.
도3은 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30)의 정면구성도로서, 상기 혐기/무산소성 미생물반응조(30)는 하폐수의 미생물에 의한 탈인반응과 탈질반응을 하나의 반응조(30) 내에서 수행하게 한다.
도3의, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조(30)는, 혐기/무산소성 미생물반응조의 혐기성영역(30-1) 상부측에 형성되어, 유량조정조(11)로부터의 유입원수, 및 회분식반응조(60)의 하부영역으로부터 반송되는 반송슬러지가 유입되는 와류방지수단(31-2)이 구비된 유입부(31); 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 무산소영역(30-2) 하부측에 형성되어, 질화액이송조(14)로부터 이송되는 반송질화액이 유입되는 질화액분산수단(31-3)이 구비된 반송질화액의 유입부(31-1); 미생물들의 혐기기작에 의해 인(PO4-P) 방출이 이루어지게 하여 탈인반응을 수행하게 하는, 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 중앙부에 형성되는 하향흐름의 혐기성영역(30-1); 상기 혐기성영역(30-1) 외측에 형성되어, 탈질미생물들의 무산소성기작에 의해 반송질화액의 질산성질소(NO3-N) 및 아질산성질소(NO2-N)를 질소기체(N2)로 환원시킴으로써, 탈질반응을 수행하게 하는 상향흐름의 무산소성영역(30-2); 상기 혐기성영역(30-1)과 상기 무산소성영역(30-2)에 있어서의 탈인반응과 탈질반응이 상호간섭되지 않도록, 혐기성영역(30-1)과 무산소성영역(30-2)을 구획하는, 상부경사격벽(34)과 하부경사격벽(35)이 연계된 중앙격벽(33); 상기 혐기성영역(30-1) 내부하측에 구성되어, 미생물에 의한 탈인반응이 혐기성영역(30-1) 전체에서 이루어지도록, 유입원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지를 혼합/교반하는 수중슬러지펌프(37); 상기 무산소성영역(30-2) 내측에 구성되어, 통성혐기성 탈질미생물들이 부착되어 서식할 수 있게 하는 현수식으로 설치되는 섬모볼담체(50); 상기 섬모볼담체(50)에 부착되어 서식하는 미생물에 있어서, 활성미생물농도인 MLSS 농도가 20,000 mg/L 이상으로 과도하게 상기 섬모볼담체(50)에 부착/서식하여 섬모볼담체(50)의 겉보기밀도(bulk density)가 1,100 kg/m3 이상으로 무거워질 경우, 부착된 미생물을 섬모볼담체(50)로부터 탈리시키는 기능을 부여하는 다수의 기포(57)를 5분 이내의 세팅시간동안에만 일시적으로 발생(실제현장에서는 15∼30일에 1∼2회 작동됨)시키는, 공기공급수단(54)과 전동밸브(55)가 연계된 산기관(56); 상기 혐기성영역(30-1) 내부하측에 형성되어, 슬러지가 모아져 잉여슬러지는 인발될 수 있도록 하는 국소영역의 슬러지피트(42); 및 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 상부외주부에 형성되어, 상기 혐기성영역(30-1) 및 상기 무산소성영역(30-2)에서 탈인탈질처리된 처리수가 다음공정으로 유하식으로 자연월류되게 하는, 월류식 웨어(36, weir)가 연계된 유출부(32)를 포함하는 것을 특징으로 하여 구성한다.
특히, 도3의 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30)에 있어서, 상기 수중슬러지펌프(37)의 회전수(rpm)를 조절하여 상기 혐기성영역(30-1) 내에서의 최적교반속도를 구현할 수 있게 하는, 상기 수중슬러지펌프(37) 일측에 RPM 인버터(38)를 연계하여 제공할 뿐만 아니라, 유입원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지의 혼합/교반이 혐기성영역(30-1) 전체에서 효과적으로 이루어지도록, 상기 수중슬러지펌프(37) 상측에 슬러지상승관(39) 및 슬러지하강관(41)을 연계하여 제공한다.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)의 외형 및 내부형상도인데, 합성수지(synthetic resin) 재질의 섬모상(cilium) 구조로 형성되어 있다. 상기 섬모볼담체(50)의 외부(50-1) 및 내부(50-2)는 100％ 미세한 극모(cirrus)로 이루어져 있기 때문에, 하폐수의 수중에 존재할 수 있는 모든 미생물들이 잘 부착되어 서식할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 섬모볼담체(50)의 전체형상은 직경 20∼100mm의 구형으로서, 섬모볼담체(50)의 외부에는 호기성미생물이, 그리고 섬모볼담체(50)의 내부에는 통성혐기성미생물이 서식할 수 있다. 즉, 섬모볼담체(50) 하나의 시스템에서 호기성미생물에 의한 유기물분해 및 질산화반응, 그리고 통성혐기성미생물에 의한 탈인 및 탈질화반응을 모두 기대할 수도 있다. 상기 섬모볼담체(50)를 형성하고 있는 섬모상(cilium)의 재질은, 하폐수 수중에서도 침식/분해되지 않도록 합성수지(synthetic resin) 재질로 하는 것이 바람직하며, 섬모볼담체(50)의 초기 겉보기밀도(bulk density)는 600∼900 kg/m3으로 설계하여, 하폐수 수중에서는 미생물들의 부착/서식에 의해 1,000±100 kg/m3의 겉보기밀도로, 물의 밀도인 1,000 kg/m3와 유사하게 되게 함으로써 미생물의 서식뿐만 아니라 설치운영하기에도 용이하게 해주는 것이 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)의 특징이다.
도5는 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)의 일실시예로서, 다수의 상기 섬모볼담체(50)들이 중공성인 고정수단(51)에 의해 현수식으로 고정설치되어 있는 섬모볼담체의 현수식유닛(53)이다. 상기 섬모볼담체의 현수식유닛(53)은 가로방향 내지 세로방향 모두 가능한데, 도5에서와 같이 세로방향으로 설치하면 하폐수의 균일한 체류분포에 저해되는 단회로(short circuiting) 내지 편류현상의 방지에 유리하며, 가로방향으로 지그재그 형상으로 설치하면 활성미생물들과의 빈번한 흐름접촉에 의해 보다 많은 생물막을 형성하여 생물막여과조로서의 활용에 유리하며 보다 쉽게 기포에 의한 미생물탈리를 이룰 수 있다.
도6은 도3∼도5에 걸쳐서 설명한 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)가 내장된 혐기/무산소성 미생물반응조(30)를 이용한 고효율 회분식 하폐수처리시설의 일실시예에 따른 평면도로서, 본 발명에 따른 고효율 회분식 하폐수처리시설(20)은 유량조정조(11)-혐기/무산소성 미생물반응조(30)-회분식반응조(60, SBR)-질화액이송조(14)-슬러지저류조(15)-처리수조(16)로 구성되는데, 더욱 상세하게는, 오염원으로부터 유입된 유입하폐수는 유량조정조(11)에 일시 머물렀다가 유량조정조(11)내의 수중펌프(17)를 통해 주반응공정인 본 발명에 따른 회분식반응조(60)로 일정유량 완충적으로 이송되어지고, 이송된 하폐수는 상기 회분식반응조(60) 내에서 교반-폭기-침전-배출의 일련의 과정을 통하여 유기물/SS 외에도 질소/인이 일부분 제거된다. 여기서, 회분식반응조(60)의 침전공정후 중력침전된 슬러지는 혐기/무산소성 미생물반응조(30)의 혐기성영역(30-1)으로 반송되어 탈인공정을 거치게 되는데, 이때 과잉으로 존재하는 슬러지는 슬러지저류조(15)로 인발되어졌다가, 운전변수 중 슬러지체류시간(SRT)이 경과되면 계외로 잉여슬러지 상태로 처리되고, 최종적으로 회분식반응조(60)의 침전공정후 맑은 상등수는 부상식배출장치(21, decanter)에 의해 배출된후 처리수조(16)를 거쳐 계외로 방류된다.
일반적인 종래 회분식(SBR) 하폐수처리방법은, 주반응조로 단일반응조를 이용한다는 장점이 있는 반면에, 모든 미생물공정 즉, 유기물분해공정, 질산화공정, 탈질공정, 탈인공정 등이 하나의 회분식반응조에서 모두 이루어지므로 각각의 미생물공정은 상호간섭 받게 되어 전체적이 제거효율을 저감될 수밖에 없다. 이에, 도6은, 상기과제를 해결하고자, 본 발명에 따른 회분식반응조(60) 전단에 혐기/무산소성 미생물반응조(30); 및 본 발명에 따른 회분식반응조(60) 일측에 질화액이송조(14)가 추가/제공되어 구성한다.
여기서, 상기 회분식반응조(60)의 호기성 폭기공정후 질산화된 질화액은 질화액이 송유로(18)를 통과하여 질화액이송조(14)로 이송되어지고, 이송된 질화액은 질화액이송조(14)에서 잠시 체류하면서 용존산소(DO)를 잃게 되며, 용존산소농도는 낮고 질산성질소(NO3-N) 내지 아질산성질소(NO2-N)의 농도는 높은 질화액은, 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 내의 섬모볼담체(50)가 현수식으로 내장된 무산소성영역(30-2)으로 유입되며, 유입된 상기 질화액의 질산성질소(NO3-N) 내지 아질산성질소(NO2-N)는 상기 섬모볼담체(50)에 서식하고 있는 통성혐기성 탈질미생물들에 의해 질소기체(N2)로 환원됨으로써 질소오염물질은 제거된다. 여기서, 탈질기작에 있어서 요구되는 탄소원(C-source)은 혐기성영역(30-1)을 거쳐 이송되는 원수 및 반송슬러지 중의 BOD를 활용하게 된다.
반면, 상기 회분식반응조(60)의 침전공정후 중력침전된 활성슬러지는 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 내의 혐기성영역(30-1)으로 원수와 함께 반송/유입되는데, 반송된 슬러지중의 미생물들은 산소가 존재하지 않는 혐기기작에 의해 인-방출(P-release)이 진행되었다가 다시 상기 회분식반응조(60)로 이송된후 회분식반응조(60)의 호기성 폭기공정에서 인(P)을 과잉섭취(luxury uptake)하게 되어, 최종 잉여슬러지 상태로 인(P) 오염물질이 제거된다. 여기서, 인-방출기작에 방해요소로 작용하는 질화액중의 질산성질소(NO3-N)는 상기에서 설명한 무산소성영역(30-2) 내의 반송질화액의 유입부(31-1)로 별도 유입시켜, 상기 혐기성영역(30-1)에서의 인-방출기작에 방해요소로 작용하지 않도록 하는 것이 본 발명의 또 다른 특징이다.
상기와 같이, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 혐기/무산소성 미생물반응조(30)에 있어서, 탈인반응과 탈질반응이이 상호 간섭받지 않도록 중앙격벽(33)을 설치하여 혐기성영역(30-1)과 무산소성영역(30-2)이 별도로 구획화되는 것이 본 발명의 또 다른 특징이다.
또한, 본 발명에 따른 회분식반응조(60)의 내측에는 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)를 현수식으로 설치할 수 있는데, 회분식반응조(60) 내의 하부측에 섬모볼담체(50)를 구성하면, 호기성미생물 및 통성혐기성미생물들이 섬모볼담체(50)에서 서식함으로써 회분식반응조(60)로부터의 미생물유출을 방지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래보다 좀 더 높은 농도의 MLSS를 유지함으로써 충격부하에 강한 회분식반응조(60)로 개선할 수 있다. 단, 회분식반응조(60) 내의 수위하한선 이하로 섬모볼담체(50)를 구성하는 것이 운영적인 측면에서 바람직하다.
도7은 현재까지도 가장 널리 이용되고 있는, 하폐수처리에 있어서 기본이 되고 있는 표준활성슬러지법을 이용한 하폐수처리시설의 개략적인 처리흐름도인데, 유량조정조(11)-폭기조(72)-최종침전조(73)로 구성되어 처리된다.
더욱 상세하게는, 오염원으로부터 유입된 유입하폐수는 유량조정조(11)에 일시 머물렀다가 유량조정조(11)내의 수중펌프(17)와 수위감지기(71)에 의해 주반응공정인 폭기조(72)로 일정유량 완충적으로 이송되어지고, 이송된 하폐수는 상기 폭기조(72) 내의 호기성미생물들의 호기성기작에 의해 유기물을 비롯한 오염물질들이 분해/제거된다. 도7에 있어서, 최종침전조(73) 하부에 침전된 활성슬러지를 슬러지펌프(74)에 의해 상기 폭기조(72)의 유입부로 다시 반송시킴으로써 질소/인을 제거하는데, 그 제거효율은 극히 미흡한 실정이다.
이에, 도8은 상기 문제를 해결하고자, 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30")를 이용한 표준활성슬러지법의 개선된 처리흐름도의 일실시예로서, 기포발생수단인 산기관만이 구비되어 오직 폭기공정만 이루어지는 종래 폭기조(72)에 있어서, 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)가 내장된 혐기/무산소성 미생물반응조(30")를 침지시켜 연계한 {혐기/무산소성 미생물반응조 결합형 폭기조}(81)를 이용하여 질소/인 제거효율을 월등히 향상시키는 것을 특징으로 하는 표준활성슬러지법의 고도화방법을 제공한다.
도8에 따르면, 상기의 종래 폭기조(72)에 본 발명에 따른 섬모볼담체(50)를 현수식으로 형성함으로써 질산화미생물에 의한 질산화율을 높일 수 있으며, 또한 상기의 종래 폭기조(72)에 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30")를 간편하게 침지시켜 연계하고, 호기성인 폭기조(81)에서 질산화된 질화액을 상기 혐기/무산소성 미생물반응조(30")의 무산소성영역(30-2)으로 내부반송시키고, 최종침전조(73) 하부에 침전된 활성슬러지를 슬러지펌프(74)에 의해 상기 혐기/무산소성 미생물반응조(30")의 혐기성영역(30-1)으로 외부반송시킴으로써 질소/인 제거효율을 월등히 향상시킬 수 있다.
기타 상기 도8을 구성하는 본 발명에 따른 섬모볼담체(50) 및 혐기/무산소성 미생물반응조(30")의 각각의 기능과 역할은 상기 도6에서 상세히 설명한 바와 같다.
상술한 바와 같이, 표준활성슬러지법을 주처리공정으로 운전하고 있는 종래 하폐수처리시설에 본 발명에 따른 혐기/무산소성 미생물반응조(30) 및 섬모볼담체(50)를 도입하여, 상기 하폐수처리시설을 토목구조의 변경없이 간편하고 효과적으로 질소/인 고도화시설로 개선시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조의 혐기성영역 상부측에 형성되어, 원수 및 반송슬러지가 유입되는, 와류방지수단(31-2)이 구비된 유입부(31)와; 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 무산소성영역 하부측에 형성되어, 반송질화액이 유입되는, 질화액분산수단(31-3)이 구비된 반송질화액의 유입부(31-1)와; 미생물들의 혐기기작에 의한 탈인반응을 수행하게 하는, 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 중앙부에 형성되는 하향흐름의 혐기성영역(30-1)과; 상기 혐기성영역(30-1) 외측에 형성되어, 탈질미생물들의 무산소성기작에 의한 탈질반응을 수행하게 하는 상향흐름의 무산소성영역(30-2)과; 상기 혐기성영역(30-1)과 상기 무산소성영역(30-2)에 있어서의 탈인반응과 탈질반응이 상호간섭되지 않도록, 혐기성영역(30-1)과 무산소성영역(30-2)을 구획하는, 상부경사격벽(34)과 하부경사격벽(35)이 연계된 중앙격벽(33)과; 상기 혐기성영역(30-1) 내부하측에 형성되어, 슬러지가 모아져 잉여슬러지는 인발될 수 있도록 하는 국소영역의 슬러지피트(42)와; 상기 혐기/무산소성 미생물반응조의 상부외주부에 형성되어, 상기 혐기성영역(30-1) 및 무산소성영역(30-2)에서 탈인탈질처리된 처리수가 다음공정으로 월류되게 하는 월류식 웨어(36)가 연계된 유출부(32)와; 및 상기 무산소성영역(30-2)의 내측에 형성되어, 통성혐기성 탈질미생물들이 부착되어 서식할 수 있도록 하는, 현수식으로 설치되는 섬모볼담체(50)를 포함하여 구성되는 혐기/무산소성 미생물반응조(30)에 있어서,
    미생물에 의한 탈인반응이 혐기성영역(30-1) 전체에서 이루어지도록, 유입원수, 반송슬러지, 및 혐기성영역에서 체류하고 있던 슬러지를 혼합/교반하는 수중슬러지펌프(37)가 상기 혐기성영역(30-1)의 내부하측에 구성되되,
    상기 수중슬러지펌프(37)의 회전수(rpm)를 조절하여 상기 혐기성영역(30-1) 내에서의 최적교반속도를 구현할 수 있도록 하는, 상기 수중슬러지펌프(37) 일측에 RPM 인버터(38)가 연계되어 제공되고; 및
    슬러지의 혼합이 혐기성영역(30-1) 전체에서 이루어지도록, 상기 수중슬러지펌프(37) 상측에 슬러지상승관(39) 및 슬러지하강관(41)이 연계되어 제공되는 것을 특징으로 하는, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조(30).
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    통성혐기성 탈질미생물들이 부착되어 서식할 수 있도록, 상기 무산소성영역(30-2)의 내측에 내장되는 섬모볼담체(50)는,
    전체형상은 직경 20∼100mm의 구형이고;
    초기 겉보기밀도(bulk density)는 600∼900 kg/m3으로 설계/제조하여, 하폐수 수중에서는 미생물들의 부착/서식에 의해 1,000±100 kg/m3의 겉보기밀도로 되게 하고; 및
    상기 섬모볼담체(50)의 무산소성영역(30-2) 내에서의 충진율은, 상기 무산소성영역(30-2)의 부피분율 대비 10∼50 vol％ 충진되는 것을 특징으로 하는, 하나의 반응조에서 탈인반응과 탈질반응이 모두 이루어지게 하는 혐기/무산소성 미생물반응조(30).
  4. 삭제
  5. 삭제
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