KR102720910B1

KR102720910B1 - 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법

Info

Publication number: KR102720910B1
Application number: KR1020220135662A
Authority: KR
Inventors: 장향연; 박나리; 임현만; 안광호; 정진홍; 김원재; 매크피로 미라툴
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2024-10-24
Anticipated expiration: 2042-10-20
Also published as: KR20240055945A

Abstract

본 발명은 상단에 미처리수가 유입되는 유입구가 형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인이 연결되는 단일 반응조와, 상기 단일 반응조의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부와, 상기 단일 반응조의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부와, 상기 단일 반응조에 연결되고 상기 호기부로 공기를 공급하는 공기공급부와, 상기 단일 반응조의 일측에 연결되고 상기 탈질부로 상기 탄소원을 공급하는 탄소원공급부를 포함한다.
상기의 수처리용 다단 생물여과시스템은 다공성 미생물 담체를 충전한 단일 반응조에서 생물학적 처리공정과 여과공정이 동시에 수행되도록 함으로써 단시간 내에 하수에 포함된 유기물, 질소 등이 고효율과 저비용으로 제거처리될 수 있도록 한다.

Description

수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법{MULTI STAGE BIOLOGICAL AERATED FILTERING SYSTEM FOR WATER TREATMENT AND WATER TREATMENT METHOD USING THE SAME}

본 발명은 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성 미생물 담체를 충전한 단일 반응조에서 생물학적 처리공정과 여과공정이 동시에 수행되도록 함으로써 단시간 내에 하수에 포함된 유기물, 질소 등이 고효율과 저비용으로 제거처리될 수 있도록 한 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 도시하수, 가축폐수, 농업폐수 및 산업폐수의 경우 유기물과 질소, 인을 포함하는 영양염류 성분이 존재하며, 이러한 영양염류의 증가는 생태계 파괴 및 호소 내 부영양화를 발생시킨다. 이에 따라 유기물 및 영양염류 제거를 위해 생물학적 수처리장치가 사용되고 있다.

이러한 생물학적 수처리장치의 일 예로, 대한민국 특허등록 제10-2110250호(2020.05.13. 공고)에는 유량조정조와, 상기 유량조정조로부터 유입수가 유입되고 혐기성 미생물에 의한 인 용출이 이루어지는 혐기조와, 상기 혐기조로부터 유입수가 유입되어 탈질화가 이루어지는 무산소조와, 상기 무산소조로부터 유입수가 유입되어 호기성미생물에 의해 질산화반응이 이루어지는 폭기조와, 상기 폭기조로부터 유입수가 유입되어 오염물을 침전시키는 침전조로 구성된 생물학적 고도수처리장치에 있어서, 상기 포기조로부터 상기 호기성미생물을 포함하는 유입수가 유입되며, 산기장치를 구비하여 상기 산기장치를 통한 공기공급을 통해 유입수의 추가적인 질산화반응이 진행되고, 상기 추가적인 질산화반응이 진행된 상기 유입수가 분리막장치에 의한 막여과가 이루어져 최종처리수를 배출하는 막분리조; 및 상기 막분리조 내의 호기성미생물의 활성도 및 개체수가 증가하도록 상기 막분리조에 미생물활성제를 공급하는 활성제공급탱크;를 더 포함하며, 상기 분리막장치는, 상부에 막여과수가 수집되는 여과수 수집챔버부가 구비되는 장치본체부; 및 상기 장치본체부 내에 전후 방향으로 소정간격으로 배치되며 상기 막분리조로 유입된 유입수를 막여과하고 막여과된 여과수가 상기 여과수 수집챔버부로 수집되도록 상기 여과수 수집챔버와 연결되는 복수의 분리막모듈; 상기 여과수 수집챔버부의 하면에 전후방향으로 설치되는 레일; 상기 복수의 분리막 모듈 각각의 상단에 설치되며, 상기 레일을 따라 슬라이딩 이동가능하도록 설치되어, 상기 복수의 분리막모듈을 전후 방향으로 이동가능하게 하는 슬라이딩부재; 및 상기 복수의 분리막모듈에 설치되어 상기 복수의 분리막모듈의 간격을 균등하게 조절하는 간격조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 고도 수처리장치가 개시된다.

또한 대한민국 특허공개 제10-2020-0080888호(2020.07.07. 공개)에는 오염수로 이루어진 원수의 일부가 유입되는 제 1 유량조; 오염수로 이루어진 원수의 나머지 일부가 유입되는 제 2 유량조; 상기 제 2 유량조와 제 2 배관으로 연결되며, 상기 제 2 유량조의 원수가 펌핑에 의해 가압된 상태로 투입되면서 공기 용존율이 증대된 원수를 수용하게 되고, 내부에 미생물이 수용되며, 상기 미생물과 원수의 흡착으로 원수가 산화 및 분해되면서 인의 과잉섭취와 질산화가 진행된 처리수를 생성시키게 되는 가압호기 탱크; 상기 가압호기 탱크와 제 3 배관으로 연결되는 한편 상기 제 1 유량조의 제 1 배관으로 연결되어 상기 가압호기 탱크의 처리수와 상기 제 1 유량조의 원수를 공급받아 혼합 저장하게 되고, 상기 제 1 유량조의 원수를 탄소공급원으로 사용하여 상기 가압호기 탱크의 처리수에 대한 제1차 탈질화가 진행되며, 상기 가압호기 탱크의 처리수와 상기 제 1 유량조의 원수 간 혼합과정에서 상기 처리수 내 일부 기포를 제거하는 한편 처리수 내 나머지 기포를 대기 중으로 분산시키고, 상기 처리수에 포함된 슬러지 일부를 내부공간에 부착시켜 슬러지의 유실을 막는 호기저류조; 상기 호기저류조와 제 4 배관으로 연결되어 상기 호기저류조의 처리수가 투입되고, 제2차 탈질화와 슬러지 침전이 진행되는 복합처리조를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기공급장치 미설치형 생물학적 고도 수처리시스템이 개시된다.

또한 대한민국 특허등록 제10-0745444호(2007.08.03. 공고)에는 외부로부터 유입되는 오폐수를 순차로 스크린 및 전처리하기 위한 스크린 및 전처리조; 상기 스크린 및 전처리조로부터 유입한 오폐수의 교반이 일어나도록 산기관이 설치되는 유량조정조; 다수개의 생물학적 여재가 바닥으로부터 입설되는 형태를 이루어, 그 여재들을 상기 유량조정조로부터의 오폐수로 침지시켜 포기작용 및 미생물 활성작용을 수행하고 그 수행의 완료로 얻은 처리수(상등액)를 외부로 배출함으로서 상기 여재들을 외부로 노출시키는 과정을 반복 수행하며 상기 유량조정조로부터의 오폐수를 정화 처리하기 위한 반응조; 상기 반응조로부터 배출되는 처리수를 얻어 소독하여 방류하기 위한 소독 방류조; 및 상기 반응조로부터 오니(sludge)를 얻어 농축하기 위한 오니 농축조를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 여재를 이용한 오폐수처리장치가 개시된다.

그러나 전술한 바와 같은 종래의 생물학적 수처리장치의 경우에는 유기물의 산화, 질산화 및 탈질을 위한 반응조가 구분된 상태로 설치 및 운영되어야 하므로 상대적으로 넓은 설치공간이 요구되고, 산소 공급을 위해 과도한 에너지가 소요될 뿐만 아니라 생물학적 처리를 위한 반응 이후에 별도의 침전공정과 슬러지의 반송공정이 필수적으로 이루어져야 하므로 상대적으로 긴 처리시간이 요구되며, 다량의 잉여슬러지가 발생되는 문제점이 있었다.

대한민국 특허등록 제10-2110250호(2020.05.13. 공고) 대한민국 특허공개 제10-2020-0080888호(2020.07.07. 공개) 대한민국 특허등록 제10-0745444호(2007.08.03. 공고)

본 발명의 목적은 다공성 미생물 담체를 충전한 단일 반응조에서 생물학적 처리공정과 여과공정이 동시에 수행되도록 함으로써 단시간 내에 하수에 포함된 유기물, 질소 등이 고효율과 저비용으로 제거처리될 수 있도록 한 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상단에 미처리수가 유입되는 유입구가 형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인이 연결되는 단일 반응조; 상기 단일 반응조의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부; 상기 단일 반응조의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부; 상기 단일 반응조에 연결되고 상기 호기부로 공기를 공급하는 공기공급부; 및 상기 단일 반응조의 일측에 연결되고 상기 탈질부로 상기 탄소원을 공급하는 탄소원공급부를 포함하는 수처리용 다단 생물여과시스템을 제공함에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 목적은 상단에 미처리수가 유입되는 유입구가 형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인이 연결되는 단일 반응조; 상기 단일 반응조의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부; 상기 단일 반응조의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부; 상기 단일 반응조의 내에서 상기 호기부와 상기 탈질부 사이에 개재되고 상기 호기부로 공기를 분산시켜 공급하는 공기디퓨져; 상기 단일 반응조에 연결되고 상기 호기부로 공기를 공급하는 공기공급부; 및 상기 단일 반응조의 일측에 연결되고 상기 탈질부로 상기 탄소원을 공급하는 탄소원공급부를 포함하는 수처리용 다단 생물여과시스템을 제공함에 의해서도 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은 상단에 미처리수가 유입되는 유입구가 형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인이 연결되는 단일 반응조; 상기 단일 반응조의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부; 상기 단일 반응조의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부; 상기 단일 반응조에 연결되고 상기 호기부로 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 단일 반응조의 일측에 연결되고 상기 탈질부로 상기 탄소원을 공급하는 탄소원공급부; 및 상기 단일 반응조에 연결되고 상기 단일 반응조의 하단으로 역세척수 또는 역세척공기를 공급하여 상기 단일 반응조의 상단으로 배출되도록 하는 역세척부를 포함하는 수처리용 다단 생물여과시스템을 제공함에 의해서도 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은 상단에 미처리수가 유입되는 유입구가 형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인이 연결되는 단일 반응조; 상기 단일 반응조의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부; 상기 단일 반응조의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부; 상기 단일 반응조의 내에서 상기 호기부와 상기 탈질부 사이에 개재되고 상기 호기부로 공기를 분산시켜 공급하는 공기디퓨져; 상기 단일 반응조에 연결되고 상기 호기부로 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 단일 반응조의 일측에 연결되고 상기 탈질부로 상기 탄소원을 공급하는 탄소원공급부; 및 상기 단일 반응조에 연결되고 상기 단일 반응조의 하단으로 역세척수 또는 역세척공기를 공급하여 상기 단일 반응조의 상단으로 배출되도록 하는 역세척부를 포함하는 수처리용 다단 생물여과시스템을 제공함에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 단일 반응조의 상단 내부에는 오버플로우식 유입관이 동심원 형태로 돌출형성되고, 상기 유입구는 상기 단일 반응조의 상단과 상기 오버플로우식 유입관 사이에 형성되는 환형채널 형태로 형성되는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 오버플로우식 유입관의 상단에는 담체유실방지망이 구비되는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 호기부는 상기 단일 반응조의 내부 상측에 충전되어 지지되는 다수의 다공성 미생물 담체로 형성되는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 호기부를 형성하는 다공성 미생물 담체는 PVA(polyvinyl alcohol) 스펀지인 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 호기부를 형성하는 다공성 미생물 담체는 한변의 길이가 5 내지 20 mm인 다면체로 형성되는 것인 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 탈질부는 상기 단일 반응조의 내부 하측에 충전되어 지지되는 다수의 다공성 미생물 담체로 형성되는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 탈질부를 형성하는 다공성 미생물 담체는 PVA(polyvinyl alcohol) 스펀지인 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 탈질부를 형성하는 다공성 미생물 담체는 한변의 길이가 5 내지 20 mm인 다면체로 형성되는 것인 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 탈질부는 상기 단일 반응조의 바닥면으로부터 이격되어 위치되는 다공성 통수지지체에 의해 지지되는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 공기공급부는 상기 단일 반응조의 측면에 연결되고 역세척을 위해 상기 단일 반응조의 하단에 분기연결되는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 탄소원은 초산나트륨(CH₃COONa)인 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 단일 반응조 내에 수직으로 배열되어 회전구동되는 교반부를 더 포함하는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 호기부 내의 용존산소를 측정하여 상기 공기공급부의 공기공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 제어부는 상기 호기부 내의 용존산소량이 2.0 ~ 3.0 mg/L로 유지되도록 상기 호기부 내의 용존산소량이 2.0 mg/L 이하일 경우에는 상기 공기공급부를 작동시키고 상기 호기부 내의 용존산소량이 3.0 mg/L 이상일 경우에는 상기 공기공급부를 정지시키는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 제어부는 상기 배수라인을 관류하는 처리수의 NO₃-N의 농도를 측정하여 상기 탄소원공급부의 탄소원공급량을 제어하는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 제어부는 상기 배수라인을 관류하는 처리수의 NO₃-N의 농도가 10 mg/L 이하로 유지되도록 상기 탄소원공급부의 탄소원공급량을 제어하는 것으로 한다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 호기부의 수리학적 체류시간은 1.5 내지 5.0 시간이고, 상기 탈질부에서의 수리학적 체류시간은 1.5 내지 3.0 시간인 것으로 한다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 역세척부에 의한 역세척은 최종처리수의 탁도가 2 NTU를 초과할 때 실시되는 것으로 한다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 역세척부에 의한 역세척은 주당 3 내지 7회의 횟수로 행해지는 것으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 전술한 수처리용 다단 생물여과시스템을 이용하여 미처리수를 여과처리하는 수처리방법을 제공함에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법은 단일 반응조 내에 다수의 다공성 미생물 담체가 충전되어 형성되는 호기부와 다수의 다공성 미생물 담체가 충전되어 형성되는 탈질부가 상하에 위치되게 배열됨에 따라 단일 반응조 내에서 유기물의 산화와 암모니아성 질소의 질산화 및 질산성 질소의 탈질반응이 동시에 수행될 수 있고, 이로 인해 단시간 내에 미처리수(하수)에 포함된 유기물, 질소 등이 고효율과 저비용으로 제거처리될 수 있으며, 전체 장치가 컴팩트해지고 공정구성이 단순해짐과 동시에 공정시간이 단축되고 소요부지가 적게 소요될 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법은 다공성 미생물 담체를 이용하여 생물학적 처리공정과 여과공정이 동시에 수행됨에 따라 후단의 침전공정과 슬러지 반송공정이 불필요해질 뿐만 아니라 슬러지의 발생량이 거의 없는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법은 유입수의 부하변동에 강하고 처리수의 수질이 양호한 상태로 유지 가능하며 여과 기능으로 인해 수처리 효율이 안정적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 호기부 및 탈질부를 형성하는 다공성 미생물 담체를 나타낸 사진이다.
도 3은 호기부 및 탈질부를 형성하는 다공성 미생물 담체를 확대하여 나타낸 사진이다.
도 4는 호기부 및 탈질부를 형성하는 다공성 미생물 담체의 미세 현미경 사진이다.
도 5는 교반부를 더 포함하는 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템을 나타낸 개략도이다.
도 6은 교반부를 더 포함하는 도 5에 따른 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템을 나타낸 사진이다.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템을 토대로 구성된 시험운전장치를 나타낸 사진이다.
도 8은 제어부에 의한 도 7의 시험운전장치의 운전제어를 설명하는 플로우챠트이다.
도 9는 도 8의 운전제어에 따라 시험된 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템의 수처리효과를 나타내는 그래프이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 구성요소를 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템은 도 1에 도시되는 바와 같이 상단에 미처리수가 유입되는 유입구(11)가 형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인(13)이 연결되는 단일 반응조(10)와, 상기 단일 반응조(10)의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부(20)와, 상기 단일 반응조(10)의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부(30)와, 상기 단일 반응조(10)에 연결되고 상기 호기부(20)로 공기를 공급하는 공기공급부(40)와, 상기 단일 반응조(10)의 일측에 연결되고 상기 탈질부(30)로 탄소원을 공급하는 탄소원공급부(50)를 포함한다.

여기서 단일 반응조(10)는 하수와 같은 미처리수에 대한 생물학적 처리공정과 여과공정이 동시에 수행되도록 다공성 미생물 담체와 미처리수의 접촉반응공간을 형성하는 것으로, 상하방향으로 길게 연장되는 대형용기 또는 수처리탱크 형태를 가진다.

단일 반응조(10)의 상단에는 예를 들어 미처리수가 유입되는 유입구(11)가 형성되고 단일 반응조(10)의 하단에는 단일 반응조(10) 내에 충전된 다공성 미생물 담체와의 접촉반응을 통해 생물학적 처리공정과 여과공정이 동시에 수행된 처리수가 배출되는 배수라인(13)이 연결된다.

또한 단일 반응조(10)의 상단 내부에는 오버플로우식 유입관(15)이 동심원 형태로 돌출형성되는 것이 바람직하고, 이 경우에 유입구(11)는 단일 반응조(10)의 상단과 오버플로우식 유입관(15) 사이에 형성되는 환형채널 형태로 형성됨에 따라 유입구(11)를 통해 공급되는 미처리수는 단일 반응조(10)의 상단과 오버플로우식 유입관(15) 사이에 형성되는 환형채널 내에 1차적으로 공급된 후 오버플로우식 유입관(15)의 외벽을 타고 넘어 단일 반응조(10) 내로 유입될 수 있게 된다.

이 때 오버플로우식 유입관(15)의 상단에는 역세척 시에 다공성 미생물 담체가 유실되는 것을 방지하는 담체유실방지망(17)이 구비되는 것이 바람직하다. 담체유실방지망(17)은 5 mm 이하의 망크기를 가지는 것이 바람직하다.

전술한 단일 반응조(10)의 내부 상측에는 호기부(20)가 구비된다. 호기부(20)는 단일 반응조(10) 내로 유입되어 하부로 흐르는 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화 또는 질산화시키는 역할을 하는 것으로, 도 1 내지 도 4에 도시되는 바와 같이 단일 반응조(10)의 내부 상측에 충전되어 지지되는 다수의 다공성 미생물 담체로 형성되는 것이 바람직하다.

이 때 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 PVA(polyvinyl alcohol) 스펀지인 것이 바람직하다.

PVA(polyvinyl alcohol) 스펀지 형태의 다공성 미생물 담체는 탁월한 친수성, 다공성의 오픈셀(open cell) 구조로 형성되어, 미생물의 부착 농도가 높고 내마모성과 내약품성이 우수하며 가수분해가 되지 않아 수처리에 적합하다. 또한 PVA(polyvinyl alcohol) 스펀지 형태의 다공성 미생물 담체는 높은 질산화율을 가지고 있어 저온에서도 처리능력이 우수하고, 미생물의 번식력과 생존에 적절한 서식처를 제공하는 특징이 있다.

다공성 미생물 담체의 재질에 해당하는 PVA(polyvinyl alcohol)는 고흡수성 재질이면서 산소 전달속도가 높기 때문에 담체의 내부까지 산소 공급이 원활하게 이루어질 수 있어 미생물 친화적인 특성이 있다.

호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이 한변의 길이가 5 내지 20 mm인 다면체로 형성되는 것이 바람직하다. 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 정육면체의 형상으로 도시되어 있지만 이에 한정되지 않고 사면체, 5면체, 6면체, 구형, 원반형 등 다양한 형상으로 형상될 수 있다.

또한 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 미처리수의 수리학적 체류시간(HRT: Hydraulic Retention Time)이 1.5 내지 5.0 시간이 되도록 충전되는 것이 바람직하다. 다만 생활하수가 처리대상인 경우에 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 미처리수의 수리학적 체류시간(HRT: Hydraulic Retention Time)이 1.5 내지 2.0 시간이 되도록 충전되는 것이 바람직하다. 이를 위해 예를 들어 단일 반응조(10) 내에 충전되는 전체 다공성 미생물 담체의 부피가 6.0 L일 경우에 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 3.8 L의 부피로 충전되는 것이 바람직하다.

전술한 호기부(20)는 단일 반응조(10) 내에 거치되는 별도의 다공성 통수지지체에 의해 하단이 지지될 수도 있고, 후술될 탈질부(30)에 의해 지지될 수도 있다.

단일 반응조(10)의 내부 하측에는 탈질부(30)가 구비된다. 탈질부(30)는 전술한 호기부(20)를 관류하여 하부로 흐르는 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 역할을 하는 것으로, 도 1 내지 도 4에 도시되는 바와 같이 단일 반응조(10)의 내부 하측에 충전되어 지지되는 다수의 다공성 미생물 담체로 형성되는 것이 바람직하다.

이 때 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 PVA(polyvinyl alcohol) 스펀지인 것이 바람직하다.

탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이 한변의 길이가 5 내지 20 mm인 다면체로 형성되는 것이 바람직하다. 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 정육면체의 형상으로 도시되어 있지만 이에 한정되지 않고 사면체, 5면체, 6면체, 구형, 원반형 등 다양한 형상으로 형상될 수 있다.

또한 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 미처리수의 수리학적 체류시간(HRT: Hydraulic Retention Time)이 1.0 내지 3.0 시간이 되도록 충전되는 것이 바람직하다. 생활하수가 처리대상인 경우에 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 미처리수의 수리학적 체류시간(HRT: Hydraulic Retention Time)이 1.0 내지 1.5 시간이 되도록 충전되는 것이 바람직하다. 이를 위해 예를 들어 단일 반응조(10) 내에 충전되는 전체 다공성 미생물 담체의 부피가 6.0 L일 경우에 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체는 2.2 L의 부피로 충전되는 것이 바람직하다.

전술한 탈질부(30)는 단일 반응조(10)의 바닥면으로부터 이격되어 위치되는 다공성 통수지지체(31)에 의해 지지되는 것이 바람직하다.

전술한 단일 반응조(10)에는 공기공급부(40)가 연결된다. 공기공급부(40)는 호기부(20)로 공기를 공급하여 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소가 산화 또는 질산화되도록 유도하는 것으로, 대기 중의 공기를 흡인하여 급송하는 통상의 에어컴프레셔와 공기공급관로를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 압축공기가 고압으로 충전된 압축공기용기와 공기공급관로 및 밸브를 포함할 수도 있다.

공기공급부(40)는 단일 반응조(10)의 측면에만 연결될 수도 있지만, 도 1에 도시되는 바와 같이 역세척을 위해 단일 반응조(10)의 하단에 분기연결되는 것이 바람직하다.

전술한 단일 반응조(10)의 일측에는 탄소원공급부(50)가 연결된다. 탄소원공급부(50)는 탈질부(30)로 탄소원을 공급하여 미처리수에 포함된 질산성 질소가 질소가스로 환원하여 탈기되도록 유도하는 역할을 하는 것으로, 탄소원이 충전된 탄소원용기와, 탄소원공급관로 및 밸브를 포함할 수 있다.

이 때 탄소원은 초산나트륨(CH₃COONa)인 것이 바람직하다. 초산나트륨(CH₃COONa)은 아세트산의 나트륨염에 해당하는 것으로, 미생물 배양을 위한 탄소원으로 사용된다. 탄소원인 초산나트륨(CH₃COONa)은 용액, 특히 고농축 용액의 형태로 탄소원용기에 충전되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템은 도 1에 도시되는 바와 같이 단일 반응조(10) 내에서 호기부(20)와 탈질부(30) 사이, 특히 호기부(20)의 하부에 개재되는 공기디퓨져(60)를 더 포함할 수 있다.

공기디퓨져(60)는 공기공급부(40)로부터 공급되는 공기가 횡단면을 기준으로 호기부(20)로 균일하게 공급될 수 있도록 하는 것으로, 미처리수의 하향 관류가 가능하도록 형성된 망상지지체의 상부에 다수의 분출구가 구비되는 구성을 가질 수 있다.

공기디퓨져(60)는 호기부(20)에 대한 공기의 균일 제공 기능 이외에 단일 반응조(10) 내에서 호기부(20)의 직하부에 위치되어 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체를 지지하는 일종의 다공성 통수지지체의 기능을 겸하는 것이 바람직하다.

또한 전술한 단일 반응조(10)에는 역세척부(70)가 연결된다. 역세척부(70)는 단일 반응조(10)의 하단으로 역세척수 또는 역세척공기를 공급하여 단일 반응조(10)의 상단으로 배출되도록 함에 따라 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체와 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체를 세정함에 따라 오랜 기간에 걸쳐 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체와 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체를 교환없이 사용할 수 있도록 한다.

이러한 역세척부(70)는 단일 반응조(10)의 하단에 연결되고 역세척수 또는 역세척공기를 공급하는 역세공급관로와, 단일 반응조(10)의 상단에 연결되고 호기부(20)를 형성하는 다공성 미생물 담체와 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체를 거쳐 유입구(11)로 이동된 역세척수 또는 역세척공기를 외부로 배출하는 역세배출관로를 포함할 수 있다.

역세척부(70)는 역세척수만 공급하는 형태로도 구성 가능하지만, 역세척공기를 공급하는 형태로도 구성 가능하고, 역세척공기를 역세척수와 함께 공급하도록 구성 가능하다. 또한 역세척부에 의한 역세척 횟수는 최종 처리수의 탁도에 기초하여 제어부(미도시)에 의해 결정되며, 주당 3 내지 7회의 횟수로 행해지는 것이 바람직하며, 이러한 역세척부(70)의 작동은 후술될 제어부에 의해 제어될 수 있다. 제어부(미도시)는 최종처리수의 탁도가 2 NTU를 초과할 때 역세척이 실시되도록 역세척부(70)를 제어하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템은 도 5 내지 도 7에 도시되는 바와 같이 단일 반응조(10) 내에 수직으로 배열되어 회전구동되는 교반부(80)를 더 포함할 수 있다.

교반부(80)는 다공성 미생물 담체와 탈질부(30)를 형성하는 다공성 미생물 담체가 충전된 단일 반응조(10)의 내부를 교반시킴에 따라 다공성 미생물 담체의 내부까지 기질과 산소가 제공될 수 있도록 함과 동시에 탈질부(30) 내 담체 사이에 축적된 질소가스가 원활하게 탈기되도록 하는 역할을 한다.

이러한 교반부(80)는 단일 반응조(10)의 정중앙에 수직으로 배열되는 회전구동봉과, 이 회전구동봉을 따라 반경방향으로 돌출되는 다수의 교반날개와, 회전구동봉의 상단에 연결되어 회전구동봉을 회전구동시키는 구동모터를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템은 호기부(20) 내의 용존산소를 측정하여 공기공급부(40)의 공기공급량을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함하는 것이 바람직한데, 도 8에는 제어부에 의한 도 7의 시험운전장치의 운전제어를 설명하는 플로우챠트가 도시된다.

도 8에 따르면, 제어부(미도시)는 호기부(20) 내의 용존산소량이 2.0 ~ 3.0 mg/L로 유지되도록 호기부(20) 내의 용존산소량이 2.0 mg/L 이하일 경우에는 상기 공기공급부(40)를 작동시켜 호기부(20)로 산소를 포함하는 공기가 공급되도록 하고 호기부(20) 내의 용존산소량이 3.0 mg/L 이상일 경우에는 공기공급부(40)를 정지시켜 호기부(20)로 산소를 포함하는 공기가 더 이상 공급되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한 제어부(미도시)는 배수라인(13)을 관류하는 처리수의 NO₃-N의 농도를 측정하여 탄소원공급부(50)의 탄소원공급량을 재산정, 즉 제어하는 것이 바람직하다. 특히 제어부(미도시)는 배수라인(13)을 관류하는 처리수의 NO₃-N의 농도가 10 mg/L 이하로 유지되도록 탄소원공급부(50)의 탄소원공급량을 제어하는 것이 바람직하다. 이 때 탄소원공급부(50)의 최초 탄소원공급량은 탈질부(30)로 유입되는 미처리수의 NO₃-N의 농도를 측정하여 산정된다.

도 9는 도 8의 운전제어에 따라 시험된 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템의 수처리효과를 나타내는 그래프이다. 도 9에 따르면, 통상의 합성폐수를 미처리수로 하여 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템에 의한 수처리 효과를 1년에 걸쳐 시험해 본 결과, 처리수의 평균 BOD는 1.2 mg/L이고, 처리수의 T-N은 평균 10 mg/L로 확인되었다. 결과적으로 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템을 이용하여 미처리수는 수리학적 체류시간(HRT: Hydraulic Retention Time) 3시간 이내에 T-N 10 mg/L 수준으로 양호하면서 안정적인 수처리 효과가 달성되었음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법의 경우에는 단일 반응조(10) 내에 다수의 다공성 미생물 담체가 충전되어 형성되는 호기부(20)와 다수의 다공성 미생물 담체가 충전되어 형성되는 탈질부(30)가 상하에 위치되게 배열됨에 따라 단일 반응조(10) 내에서 유기물의 산화와 암모니아성 질소의 질산화 및 질산성 질소의 탈질반응이 동시에 수행될 수 있고, 이로 인해 단시간 내에 미처리수(하수)에 포함된 유기물, 질소 등이 고효율과 저비용으로 제거처리될 수 있으며, 전체 장치가 컴팩트해지고 공정구성이 단순해짐과 동시에 공정시간이 단축되고 소요부지가 적게 소요될 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템 및 이를 이용한 수처리방법의 경우에는 다공성 미생물 담체를 이용하여 생물학적 처리공정과 여과공정이 동시에 수행됨에 따라 후단의 침전공정과 슬러지 반송공정이 불필요해질 뿐만 아니라 슬러지의 발생량이 거의 없게 된다.

이상에서 본 발명은 실시예를 중심으로 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10 : 단일 반응조
11 : 유입구
13 : 배수라인
15 : 오버플로우식 유입관
17 : 담체유실방지망
20 : 호기부
30 : 탈질부
31 : 다공성 통수지지체
40 : 공기공급부
50 : 탄소원공급부
60 : 공기디퓨져
70 : 역세척부
80 : 교반부

Claims

상단에 미처리수가 유입되는 유입구는 단일 반응조의 상단과 오버플로우식 유입관 사이에 형성되는 환형채널 형태로 형성되고 상단 내부에는 담체유실방지망이 구비된 오버플로우식 유입관이 동심원 형태로 돌출형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인이 연결되고 내부에 수직으로 배열되어 회전구동되는 교반부로 구성된 단일 반응조;
상기 단일 반응조의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부;
상기 단일 반응조의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부;
상기 단일 반응조에 연결되고 상기 호기부로 공기를 공급하는 공기공급부;
상기 단일 반응조의 일측에 연결되고 상기 탈질부로 상기 탄소원이 공급되는 탄소원공급부;
상기 단일 반응조에 연결되고 상기 단일 반응조의 하단으로 역세척수 또는 역세척공기를 공급하여 상기 단일 반응조의 상단에서 배출되도록 하는 역세척부; 및
상기 호기부 내의 용존산소를 측정하여 용존산소량이 2.0 ~ 3.0 mg/L로 유지되도록 상기 호기부 내의 용존산소량이 2.0 mg/L 이하일 경우에는 상기 공기공급부를 작동시키고 상기 호기부 내의 용존산소량이 3.0 mg/L 이상일 경우에는 상기 공기공급부를 정지시켜 공기공급량을 제어하는 제어부;를 포함하되
상기 탈질부는
상기 단일 반응조의 내부 하측에 충전되어 지지되는 다수의 다공성 미생물 담체인 PVA(Polyvinyl alcohol) 스펀지인 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
상단에 미처리수가 유입되는 유입구는 단일 반응조의 상단과 오버플로우식 유입관 사이에 형성되는 환형채널 형태로 형성되고 상단 내부에는 담체유실방지망이 구비된 오버플로우식 유입관이 동심원 형태로 돌출형성되고 하단에 처리수가 배출되는 배수라인이 연결되고 내부에 수직으로 배열되어 회전구동되는 교반부로 구성된 단일 반응조;
상기 단일 반응조의 내부 상측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 유기물 또는 암모니아성 질소를 공기와의 반응을 통해 산화시키는 호기부;
상기 단일 반응조의 내부 하측에 구비되고 상기 미처리수에 포함된 질산성 질소를 외부로부터 공급되는 탄소원을 통해 질소가스로 환원하여 탈기하는 탈질부;
상기 단일 반응조의 내에서 상기 호기부와 상기 탈질부 사이에 설치되고 상기 호기부로 공기를 분산시켜 공급하는 공기디퓨져;
상기 단일 반응조에 연결되고 상기 호기부로 공기를 공급하는 공기공급부;
상기 단일 반응조의 일측에 연결되고 상기 탈질부로 상기 탄소원을 공급하는 탄소원공급부;
상기 단일 반응조에 연결되고 상기 단일 반응조의 하단으로 역세척수 또는 역세척공기를 공급하여 상기 단일 반응조의 상단에서 배출되도록 하는 역세척부; 및
상기 호기부 내의 용존산소를 측정하여 용존산소량이 2.0 ~ 3.0 mg/L로 유지되도록 상기 호기부 내의 용존산소량이 2.0 mg/L 이하일 경우에는 상기 공기공급부를 작동시키고 상기 호기부 내의 용존산소량이 3.0 mg/L 이상일 경우에는 상기 공기공급부를 정지시켜 공기공급량을 제어하는 제어부;를 포함하되
상기 탈질부는
상기 단일 반응조의 내부 하측에 충전되고 지지되는 다수의 다공성 미생물 담체인 PVA(Polyvinyl alcohol) 스펀지인 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
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청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 호기부는 상기 단일 반응조의 내부 상측에 충전되어 지지되는 다수의 다공성 미생물 담체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 호기부를 형성하는 다공성 미생물 담체는 PVA(polyvinyl alcohol) 스펀지인 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 호기부를 형성하는 다공성 미생물 담체는 한변의 길이가 5 내지 20 mm인 다면체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
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청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 탈질부를 형성하는 다공성 미생물 담체는 한변의 길이가 5 내지 20 mm인 다면체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 탈질부는 상기 단일 반응조의 바닥면으로부터 이격되어 위치되는 다공성 통수지지체에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 공기공급부는 상기 단일 반응조의 측면에 연결되고 역세척을 위해 상기 단일 반응조의 하단에 분기연결되는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 탄소원은 초산나트륨(CH₃COONa)인 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
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청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 배수라인을 관류하는 처리수의 NO₃-N의 농도를 측정하여 상기 탄소원공급부의 탄소원공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 18에 있어서,
상기 제어부는 상기 배수라인을 관류하는 처리수의 NO₃-N의 농도가 10 mg/L 이하로 유지되도록 상기 탄소원공급부의 탄소원공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 호기부의 수리학적 체류시간은 1.5 내지 5.0 시간이고, 상기 탈질부에서의 수리학적 체류시간은 1.5 내지 3.0 시간인 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 역세척부에 의한 역세척은 최종처리수의 탁도가 2 NTU를 초과할 때 실시되는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 역세척부에 의한 역세척은 주당 3 내지 7회의 횟수로 행해지는 것을 특징으로 하는 수처리용 다단 생물여과시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 하나의 항에 따른 수처리용 다단 생물여과시스템을 이용하여 미처리수를 여과처리하는 수처리방법.