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KR100839035B1 - 산기관을 이용한 슬러지 고액분리 부상공정에 의한생물학적 하폐수 처리 장치 및 방법 - Google Patents

산기관을 이용한 슬러지 고액분리 부상공정에 의한생물학적 하폐수 처리 장치 및 방법 Download PDF

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Publication number
KR100839035B1
KR100839035B1 KR20070052095A KR20070052095A KR100839035B1 KR 100839035 B1 KR100839035 B1 KR 100839035B1 KR 20070052095 A KR20070052095 A KR 20070052095A KR 20070052095 A KR20070052095 A KR 20070052095A KR 100839035 B1 KR100839035 B1 KR 100839035B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solid
liquid separation
sludge
tank
treated water
Prior art date
Application number
KR20070052095A
Other languages
English (en)
Inventor
최용수
이상협
박찬혁
홍석원
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR20070052095A priority Critical patent/KR100839035B1/ko
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Abstract

본 발명은 미세기포 발생용 산기관을 이용한 슬러지 부상농축 단위공정을 질소, 인 중심의 하수고도처리 공정 후단에 조합시켜 하폐수 내의 유기물, 입자상 물질 등을 고액분리하기 위한 하폐수 처리 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 생물학적 하폐수 처리 공정을 거친 슬러지에 미세기포를 공급하여 슬러지를 부상시켜 고형물질을 고액분리시키는 하폐수 처리방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 작은 공기압을 적용하여 균일하고 일정하게 미세기포를 발생시켜 공급하는 것에 특징이 있다. 본 발명의 이러한 장치 및 방법을 통해, 침전조의 용적과 부지 소요 면적을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 생물학적 처리 반응조의 미생물 농도를 고농도로 유지할 수 있으므로, 기존의 중력식 침전조보다 유기물, 질소, 인 등의 제거 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 기존 중력식 침전조에서 간헐적으로 발생하는 슬러지 팽화현상이나 침전과정에서 탈질에 의해 발생하는 질소가스에 의한 슬러지 재부상, 그에 따른 유출수 수질의 악화를 방지할 수 있다. 더욱이 본 발명에 의한 부상방식으로 침전에 필요한 시간을 감소시켜 하폐수 처리량을 대폭 증대시킬 수 있다.
고농도 활성슬러지, 중력식 침전조 대체, 부상분리, 세라믹 멤브레인 산기관

Description

산기관을 이용한 슬러지 고액분리 부상공정에 의한 생물학적 하폐수 처리 장치 및 방법 {BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT APPARATUS USING DIFFUSER-MEDIATED SLUDGE FLOTATION AND TREATMENT METHOD USING THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 부상 고액분리조를 조합한 생물학적 하폐수 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 부상 고액분리 공정의 설계 및 배치 방법의 구체예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11 : 전탈질조　　　　　 　　 12 : 간헐폭기조
13 : 부상 고액분리조　　 14 : 처리수 저류조
15 : 슬러지 저류조　　 16 : 부상슬러지 배출가이드
17 : 슬러지 분산 유입장치　　 18 : 원수 유입 라인
20 : 슬러지반송라인 21 : 처리수유출라인　　　
22 : 처리수순환라인 31 : 산기관　
도 3 내지 7은 생물학적 산소 요구량(BOD)(도 3), 화학적 산소 요구량 (COD)(도 4), 현탁 고형물(SS)(도 5), 총 질소(도 6), 총 인(도 7)의 농도와 그 제거 효율이 운전 기간에 따라 변화하는 양상을 나타낸 그래프이다.
도 8a와 8b는 본 발명의 한 실시 태양에서 각각 부상분리조 하단에 세라믹 멤브레인 산기관 을 배치한 구체예의 평면 사진과 측면 사진이다.
도 9는 본 발명의 한 구체적 실시 태양에서 세라믹 멤브레인 산기관에 공기를 공급하기 위한 컴프레서를 산기관과 연결한 모습을 나타낸 사진이다.
본 발명은 활성슬러지를 이용한 생물학적 하폐수 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 산기관에 의해 상향으로 발생되는 미세기포를 이용한 슬러지 부상 분리 및 농축을 하수고도처리 공정에 조합하여 활성슬러지의 농도를 고농도로 유지함과 동시에 슬러지의 고액분리 시간을 줄여서 하폐수 중의 유기물, 질소, 인, 입자상 물질 등을 매우 효과적으로 제거할 수 있는 하폐수 처리 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
하수 중의 유기물, 질소, 인 등을 제거하는 생물학적 하수 처리 공정에서 활 성슬러지라 불리는 미생물 집합은 가장 핵심적인 역할을 수행하는 생물학적 고형물이다. 이러한 활성슬러지를 이용한 하수 처리 공정(활성슬러지 공정)의 운전 효율은 유입 하수의 유기물을 포함한 오염 물질의 농도 부하 및 유량 부하, 반응조의 활성슬러지 농도 및 상태, 수리학적 체류시간과 고형물 체류시간 등에 의해 큰 영향을 받는다. 특히, 활성슬러지의 농도는 전형적인 활성슬러지 공정 뿐만 아니라 질소 및 인 제거를 포함한 하수 고도처리공정에서도 매우 중요한 운전인자로서 인식되고 있다. 그러나, 기존의 고액분리 방법 중 가장 보편적으로 사용되는 중력침전으로는 반응조의 활성슬러지 농도를 적절히 조절하거나 고농도로 유지할 수가 없다. 특히, 간헐적으로 발생하는 슬러지 팽화현상(bulking)이나 침전과정에서 탈질에 의해 발생하는 질소가스에 의한 슬러지 재부상과 이에 따른 고액분리 효율의 저하 및 활성슬러지의 과다 유실 문제는 중력침전에서 가장 대처하기 곤란한 문제점으로 지적되고 있다.
지금까지 고농도 활성슬러지 공정의 운전을 위해 개발된 방법으로는 침지형 막을 이용한 활성슬러지 공정 (Membrane Bioreactor, MBR), 순산소 폭기 공정 및 대표적인 부착성장공법인 담체를 이용한 바이오필터 공법 등이 있다. 활성슬러지 공정에서 미생물을 고농도로 유지할 경우, 폭기조 내에서의 유기물 처리능력의 상승으로 단위 용적당 유기물 부하율을 증가시킬 수 있기 때문에 반응조 용적을 50~75%까지 감소시킬 수 있고, 이에 따른 소요 부지 면적도 대폭 줄어들게 된다. 뿐만 아니라, 질산화 미생물 농도의 증가에 따라 질산화율이 급격히 향상될 것으로 기대되어, 암모니아성 질소의 제거효율이 극대화될 수 있다. 또한 F/M 비(food-to -microorganism ratio)가 낮아 슬러지의 자기 산화가 활발히 진행되어 잉여슬러지의 발생량이 줄어들 것으로 예상된다. 그러나 MBR 공정이나 바이오필터 공법과 같은 경우에는 막 또는 담체의 구입에 따른 초기비용이 매우 클 뿐만 아니라, 장기간 운전시 활성슬러지 또는 슬러지 분비물에 의한 폐색이 발생하고 이에 따라 압력손실이 커지게 된다. 따라서, 주기적인 세척 또는 역세척이 반드시 수반되어야 하는 단점이 있다. 순산소를 이용한 폭기 공법의 경우에는 활성슬러지를 고농도로 유지하기 위해서 매우 양호한 슬러지의 침전성이 항상 확보되어야 하기 때문에 안정적인 운전이 불가능하고, 폭기조의 미생물 농도 또한 8,000 mg/L 이상으로는 유지하기 어렵다고 알려져 있다. 더불어 순산소를 공급하기 위해 추가적인 비용이 든다는 단점도 있다.
이러한 방법들 이외에도, 단일 반응조에서 하수 등의 유입(fill), 반응(reaction), 침전(settle), 배출(draw) 및 휴지(idle)의 단위 공정이 정해진 시간의 배열에 따라 연속적으로 이루어지는 연속 회분식 반응기(sequencing batch reactor, SBR) 공정이 개발되어 하폐수 처리에 적용되고 있다. 이 방법은 각각의 단위 공정이 단일 반응조에서 이루어지므로 이차 침전지가 불필요할 뿐만 아니라 사상균의 제어가 용이하며 시공이 간편하여 하수 등의 안정적 관리 측면에서 매우 유리하다. 그러나, 이러한 전형적인 또는 변형된 형태의 SBR 공정은 혼합액 현탁 고형물(mixed liquor suspended solids, MLSS) 농도를 원하는 수준으로 높게 유지 할 수 없을 뿐만 아니라 거의 필수적으로 거쳐야 하는 침전 반응에 소요되는 시간이 길어 전체 공정의 주기 시간을 증가시키게 되는 단점이 있다. 또한 기존의 SBR 공정은 처리수를 유출하는 과정에서 반응조 내의 수류 특성이 변하는 경우에 슬러지 입자가 유출수에 포함되어 유실될 수 있는 단점이 있다.
한편 반응조의 미생물 농도 확보와 침전 반응에 소요되는 시간을 단축하기 위하여 부상분리법을 사용할 수 있는데, 이 중 용존 공기 부상법(Dissolved Air Flotation, DAF)이 선행기술로 널리 사용되고 있다. 그러나 용존 공기 부상법에서는 용존된 공기를 공급하기 위해서 4-5기압의 높은 압력이 필요하고, 공기량 확보를 위해 대용량의 압축장치가 필요하기 때문에 전체 공정을 운영하는데 넓은 부지소요되며 운영 비용이 많이 든다는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 극복하기 위해 최근 사용되는 방법인 공기 부상법(air flotation, AF)에서는 가압하여 과용해시킨 용존 공기를 이용하여 기포를 발생시키는 대신, 세라믹 멤브레인 산기관에 의해 인위적으로 발생시킨 미세 기포를 이용하여 고액 부상분리시키고, 고액분리된 고농도 슬러지를 스키머(skimmer) 등으로 이송·제거하는 방식을 취한다.
공기 부상법(AF) 공정에서 가장 중요한 것은 고형물을 부상시키기 위해 매우 미세한 기포를 일정하게 생성시키는 일인데, 부상에 알맞은 크기(40-60μm)의 기포를 생성할 수 있어야 한다. 미세기포 발생에 관한 종래 기술로는 대한민국 등록 특허 제315903호를 예로 들 수 있다. 상기 특허에서는 물에 계면활성제를 첨가하여야 하고 싸이클론을 별도로 설치하여 하므로 장비가 복잡하고 유지·관리 문제가 따르게 되며 비용이 커진다는 문제점과 함께 기포의 크기를 조절할 수 없다는 문제점이 있었다. 또 다른 종래 기술로서 전극판을 이용하여 미세기포를 발생시키는 전해부상법(electroflotation, EF)을 사용하려는 시도가 있었지만, 이 방법도 정류기 등의 전기 시스템을 별도로 사용하기 때문에 설치 비용이 커지며, 장시간 운전시 전극판에 이물질(scale)이 쌓인다는 문제점을 여전히 가지고 있었다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 반응조 내 혼합액 현탁 고형물(MLSS)의 농도를 높게 유지시켜 미생물량을 고농도로 확보하고, 고농도로 슬러지를 농축하여 처리 수질을 극대화하기 위한 기술을 제공하는 것이 그 목적이다. 또한 경제성이 있고, 침전 시간이 짧아 처리 설비 부지 면적을 최소화할 수 있는 장치와 그 처리 방법을 제공하는 것이 목적이다. 또한 기존 질소, 인 제거 공법에 미세기포를 이용한 부상 고액분리조를 부착하여 기존의 질소, 인 제거공정의 장점은 그대로 살리면서 고농도 활성슬러지 공정의 운전이 가능하고 고액분리 시간을 획기적으로 줄인 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서, 하폐수 처리 대상 원수에 미세기포를 공급하기 위한 산기관을 하단에 갖추고 있고, 받아들인 원수로부터 미세기포에 의해 분리되어 부상된 슬러지를 배출하기 위한 통로를 상단에 갖추고 있으며, 원수로부터 슬러지가 분리된 처리수를 배출하는 부상 고액분리조를 포함하는 것을 특징으로 하는 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서, 상기 부상 고액분리조 전방에 하폐수 처리 대상 원수와 슬러지를 받아들이는 전탈질조, 및 상기 전탈질조로부터 원수를 받아들이며, 폭기를 위한 산기장치를 갖추고 있고, 상기 부상 고액분리조로 원수를 배출하는 간헐폭기조를 더 포함하고, 상기 부상 고액분리조 후방에 상기 부상 고액분리조 상단의 통로를 따라 배출되는 슬러지를 받아들이고 상기 슬러지를 상기 전탈질조로 반송하는 슬러지 저류조, 및 상기 부상 고액분리조로부터 배출되는 처리수를 받아들이는 처리수 저류조를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서, 상기 부상 고액분리조는 처리수를 배출하기 위한 처리수 유출 라인 또는 개구(開口)를 부상 고액분리조 하단의 산기관 위에 더 포함하는 것이 특징이고, 상기 부상 고액분리조는 슬러지의 배출을 돕기 위한 스키머(skimmer)를 더 포함하고, 상기 스키머는 고액분리에 필요한 부상시간에 따라 그 작동 시간을 달리하는 것을 특징으로 하며, 상기 부상 고액분리조는 전단과 후단의 두 구획으로 나뉘고, 상기 전단과 후단은 각각 그 하부에 산기관을 포함하며, 전단에서 고액분리된 처리수가 후단에서 다시 고액분리되며, 상기 부상 고액분리조는 전단과 후단의 고액분리 시간을 서로 다르게 운전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서, 상기 처리수 저류조는 받아들인 처리수의 일부를 상기 부상 고액분리조 하부로 간헐적으로 반송하기 위한 처리수 순환 라인을 더 포함하고, 상기 처리수 순환라인에 의하여 반송된 처리수는 상기 부상 고액분리조 내 산기관보다 하부의 위치에서 상기 부상 고액분리조로 유입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서, 상기 산기관은 1.8~3.0 바(bar)의 압력으로 부상 고액분리조 하방으로부터 상방으로 미세기포를 발생시키는 것을 특징으로 하고, 상기 산기관은 세라믹 멤브레인 재질인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서, 상기 슬러지 저류조는 슬러지를 전탈질조로 반송하기 전에 슬러지층에 포함된 기포를 탈기시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서, 상기 간헐 폭기조는 두 개의 구획으로 나뉘고, 각 구획에서 주기적인 교호(交互) 폭기가 일어나 각 구획별로 호기 및 혐기 조건을 교대로 달성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, a) 하폐수 처리 대상 원수 및 슬러지가 전탈질조에 유입되어 슬러지 미생물에 의한 탈질 반응과 인 방출 반응이 일어난 다음, 원수가 간헐폭기조로 이동하는 단계; b) 유산소 조건하의 간헐폭기조에서 슬러지 미생물에 의하여 원수에 포함된 암모니아성 질소가 상기 간헐폭기조 내에서 질산성 질소로 산화되고 상기 슬러지 미생물에 의한 인의 과잉섭취가 일어나는 단계; c) 상기 간헐폭기조로부터 부상 고액분리조로 받아들인 원수에 대하여 상기 부상 고액분리조의 하단에 설치된 산기관에서 미세기포를 공급하여 원수 중 슬러지 및 고형물을 상기 고액분리조 상단으로, 상기 슬러지 및 고형물을 제외한 액체 성분인 처리수를 하단으로 각각 분리하는 단계; d) 상기 부상 고액분리조에서 고액분리된 처리수를 처리수 저류조로 배출하고, 상기 부상 고액분리조에서 분리된 슬러지 및 고형물을 슬러지 저류조로 보내는 단계; 및 e) 슬러지 저류조에 저장된 슬러지의 일부를 전탈질조로 반송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, 상기 c) 단계의 미세기포는 산기관에 의하여 1.8~3.0 바(bar)의 압력으로 부상 고액분리조 하방으로부터 상방으로 발생되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, 상기 부상 고액분리조는 전단과 후단의 구획으로 나뉘어져 있어서, 상기 c) 단계는 전단에서 고액분리가 이루어지며, 상기 c) 단계와 d) 단계 사이에, c') 상기 부상 고액분리조 후단에서 상기 c) 단계 전단의 처리수를 받아들여 하단에 설치된 산기관에 의한 미세기포의 공급을 통하여 상기 c) 단계와 동일하게 고액분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, 상기 c) 단계에서 원수가 부상 고액분리조에서 체류하는 시간은 30-60분인 것을 특징으로 하고, 전단에서 30-40분, 후단에서 10-20분인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, 상기 d) 단계에서 고액분리된 처리수는 상기 부상 고액분리조 하부의 산기관 위에 위치한 처리수 유출 라인 또는 개구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, 상기 b) 단계의 간헐폭기조는 두 개의 구획으로 나뉘고, 주기적인 교호 폭기가 일어나 각 구획별로 호기 및 혐기 조건을 교대로 달성하는 것을 특징으로 하고, 상기 b)단계 의 간헐폭기조 내 미생물농도는 3,000mg/L 이상으로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, 상기 e) 단계에서 슬러지를 전탈질조로 반송하기 전에 슬러지층에 포함된 기포를 탈기시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서, 상기 하폐수처리 방법은 f)상기 처리수 저류조의 처리수 일부를 간헐적으로 상기 부상 고액분리조리조로 반송하되, 상기 부상 고액분리조의 산기관보다 하부 지점으로 반송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 기존의 침전에 의한 고액분리 공정을 산기관으로부터 상향으로 발생되는 미세기포를 이용한 슬러지 부상농축 공정으로 대체한 장치를 제공한다. 구체적으로 본 발명은 대표적인 질소, 인 제거 공정인 전탈질+간헐폭기 공정에 미세기포를 이용한 부상 고액분리 공정을 결합한 구성을 하고 있다. 특히 2기압 내외의 작은 공기압으로 산기관을 통해 미세기포를 발생시킬 수 있다는 특징이 있다.
본 발명에 의한 슬러지 부상 고액분리를 이용한 하폐수 처리방법은 슬러지의 상태와 관계없이 항상 안정적으로 고액분리가 가능한 슬러지 부상농축 기법을 이용 함으로써 간헐폭기조 내 미생물 농도를 고농도로 유지시킬 수 있기 때문에 생물학적물, 질소 및 인 제거와 관련된 모든 연속식 공법에 적용이 가능하다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 바탕으로 상세하게 기술한다. 도 1은 본 발명에 따른 부상 고액분리조를 조합한 하폐수 처리장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 부상 고액분리 공정의 설계 및 배치 방법의 구체예를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1과 도 2에 나타낸 것처럼 하수 처리 대상 원수 또는 1차 침전조로부터의 원수는 원수 유입 라인(18)을 통해 본 공정의 전탈질조(11)로 유입된다. 전탈질조(11)에서는 미생물에 의한 탈질과정이 발생하며 동시에 유기물이 제거된다. 전탈질조에서의 수리학적 체류시간은 30분~1시간 정도로 하게 되며, 필요에 따라 교반기에 의해 교반한다. 전탈질조(11)를 거친 원수는 간헐폭기조(12)로 유입되는데, 폭기조에서는 원수에 포함된 암모니아성 질소가 질산성 질소로 질산화 되며, 무산소조에서 제거되지 않은 유기물이 산화되어 이산화탄소로 전환된다. 한편 폭기조에는 산소공급을 위해 하단부에 산기장치를 위치시킨다. 간헐폭기조(12)는 수리학적 체류시간을 1시간~2시간 정도로 하고, 전단과 후단을 나누어 전단에서 폭기시(호기성)에는 후단을 폭기시키지 않으며(혐기성), 반대로 후단에서 폭기시에는 전단에서 폭기시키지 않는 과정을 30분~1시간 정도의 주기로 교대로 폭기시킨다 (도 1 참조). 이는 미생물이 호기 및 혐기 조건에 교대로 노출되어 유기물 및 질소 제거를 극대화하기 위함이다.
간헐 폭기조로부터 유출되는 활성슬러지 혼합액은 부상 고액분리조(13)로 유입되어 처리수와 활성슬러지가 분리된다. 슬러지 분산 유입장치(17)를 통해 고액분리조로 유입된 활성슬러지 혼합액 중, 처리수는 하향흐름을 가지게 되어 하단부에 위치하며, 산기관보다 위에 놓인 처리수 유출라인(21) 또는 개구(開口)를 통해 배출되게 된다. 처리수가 하향 흐름을 갖는 동안 하단에 배치된 산기관은 1.8~3.0bar의 압력으로 공기가 유입되어 미세기포를 생성한다.
본 발명에서 산기관은 미세기포가 노출되는 표면적을 넓게 할 수 있고 상기 1.8~3.0 bar의 압력으로 기포를 발생시킬 수 있으면 그 구체적인 구성과 배치는 공기압을 균일하게 공급할 수 있다면 특별한 제약이 없다. 본 발명의 한 구체적 실시 태양에서는 원기둥형의 산기관 여러 개를 엇갈리게 배치하여 표면적을 최대한 확보하고 발생된 미세기포간의 간섭을 피하는 배치를 가지는데 이를 도 8a(평면도)와 8b(측면도)에 나타내었다. 도 9는 이 실시 태양에서 상기 산기관에 공기를 공급하는 컴프레서(10HP 용량)를 연결한 모습을 나타낸 사진이다. 본 발명의 한 구체적 실시 태양에서 상기 산기관은 세라믹 멤브레인 재질인 것이 바람직하다.
부상 고액분리조(13)의 활성슬러지를 포함한 고형물 혼합액은 산기관(31)에 의해 상향으로 발생되는 미세기포에 의해 상향으로 고액분리 및 농축된다. 산기관(31)에 의해 다량으로 발생된 미세기포는 상향으로 이동하면서 활성슬러지를 포함한 생물학적 고형물과 접촉하게 된다. 이 과정에서 활성슬러지 플록은 부착된 미세기포에 의해 비중이 작아져 수면으로 부상한다.
미세기포에 의한 고형물 부상 효과를 높이기 위해서는 미세기포의 크기를 일정하고 최적화된 크기로 발생시킬 수 있어야 한다, 본 발명의 한 구체적 실시 태양에서 미세기포의 크기는 주입되는 공기의 압력으로 조절한다. 중력식 침전방식보다 고효율의 생물반응조 운전을 위해 목표로 하는 고농도 농축슬러지(20,000 mg/L 이상)를 얻기 위해서는 파일럿 규모 (하루 처리용량 100톤 기준)에서 일반적으로 공기 압력을 2.3-2.5 bar로 운전한다.
부상 고액분리조(13)는 필요에 따라 2단으로 운전하여 1차적으로 부상시킨 후 하부에서의 유출수를 다시 2차적으로 부상시켜 고액분리할 수 있다. 2단으로 부상공정을 운전하는 이유는 산기관에 문제가 생겨 초기 효율을 유지하지 못하게 되어 1차적으로 부상시킨 후의 하부 유출수가 좋지 않을 경우를 대비함이며, 2차적으로 부상시키면 이에 대한 안정성을 확보할 수 있다. 또한 같은 침전조 면적을 사용하면서도 미세 기포를 보다 고르게 분포시킬 수 있어 유리하다. 부상 고액분리 시간은 총 30-60분인 것이 바람직하며, 1단에서 40~45분, 2단에서 15~20분 정도로 수리학적 체류시간을 가지는 것이 바람직하다. 한편 벽면으로 타고 내려오는 활성슬러지도 완벽히 부상시키기 위해 세라믹 멤브레인 산기관 측면도와 같이 벽면쪽을 향해 산기관을 기울여 설치하여 부상효율을 극대화하였다.
부상분리된 고농도 활성슬러지는 부상슬러지 배출가이드(16)를 통해 경사면을 따라 슬러지 저류조(15)로 유출된다. 원활한 슬러지의 배출을 위하여 부상 고액분리조(13)는 스키머(skimmer) 등의 배출을 돕는 다른 수단을 추가적으로 포함할 수 있다. 슬러지 저류조(15)에 운반된 고농도 농축슬러지는 슬러지 반송라인(20)을 따라 전탈질조(11)로 반송된다. 이 과정에서 슬러지 저류조(15)는 농축슬러지 층에 포함된 미세기포를 탈기시켜 무산소 조건으로 운전되는 전탈질조로 유입되도록 한다.
부상 분리된 슬러지는 혼합액 현탁 고형물(MLSS) 농도가 20,000 mg/L 이상으로 매우 높기 때문에 슬러지를 배출시키기가 쉽지 않다. 본 발명은 부상 농축슬러지의 원활한 배출을 위해 부상 고액분리조로부터 유출된 처리수를 처리수 저류조(14)에 저류시켰다가 간헐적으로 처리수 순환라인(22)을 통해 상기 산기관(31)보다 하부 지점으로 부상 고액분리조(13)에 주입한다. 이러한 방법으로 슬러지를 배출할 경우, 부상분리된 활성슬러지의 확실한 배출이 가능하고, 슬러지 부상 고액분리조(13) 하단에 위치한 세라믹 멤브레인 산기관의 역세척도 동시에 일어난다는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 부상 고액분리조(13)에서 일단 슬러지가 부상 분리되면 부상 분리된 슬러지 층에 존재하는 미세기포에 의해 슬러지가 재침강할 염려가 전혀 없을 뿐만 아니라 처리수 유출 과정에서 발생하는 반응조내 수류 특성에 의해서 도 슬러지 층이 분리되지 않으므로 고액분리된 슬러지 입자가 유출수에 포함되어 유실될 가능성도 매우 낮다. 따라서 전반적인 현탁 고형물(suspended solids, SS) 제거율은 전형적인 또는 변형된 형태의 연속식 활성슬러지 공정에 비해 상당히 높다.
이러한 공정을 운전하였을 경우의 생물학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소 요구량(COD), 현탁 고형물(SS) 등의 유기물과 질소, 인 제거율을 기존 활성슬러지 공정과 비교하여 하기 실험예 1을 통해 증명하였다.
[실험예 1] : 하루 오·폐수 100톤 처리 규모 공정의 부상 실험 결과
본 실험은 상기 명시된 공정을 적용하여 100톤/일 규모에서 실험한 처리 결과이다. 전탈질조, 간헐폭기조, 슬러지 부상 고액분리조를 거쳐 처리된 결과이며, 기존 활성슬러지 공법의 중력식 침전조를 대신하는 부상 고액분리조는 약 4 m의 높이이며, 미세기포를 발생시키는 세라믹 멤브레인 산기관 내로 1.8~3.0 bar의 공기압을 넣어 균일한 미세기포를 발생시켰다.
아래 표 1은 운전 기간 동안의 처리효율을 나타낸 결과이며, 도 3, 4, 5, 6과 7은 차례로 각각 BOD, COD, SS, 총 질소, 총 인에 대하여 유입, 유출 농도와 그에 따른 제거효율 나타낸 그래프이다(평균 수치들은 표 2, 3, 4, 5와 6에 기재). 이때 상부에 농축된 슬러지 농도는 MLSS가 20,000 mg/L 이상으로 부상시간이 30분 을 초과하면 항상 고농도로 고액분리되는 효과가 있음을 알 수 있었다.
운전 기간의 처리 효율
항 목 단 위 유 입 수 처 리 수 처리 효율 (%)
최저~최고 평균 최고~처저 평균
BOD5 L-1 23.3 ~ 156.3 84.1 2.0 ~ 8.8 5.5 93
CODCr L-1 99.5~ 325.0 162.7 6.8 ~28.0 17.0 89
현탁 고형물 (SS) L-1 62.0 ~ 360.0 166.6 2.0 ~6.3 4.2 97
총 질소 (T-N) L-1 14.9 ~ 68.0 29.8 4.3 ~ 15.1 7.9 72
총 인 (T-P) L-1 1.0 ~6.2 3.4 0.2 ~ 1.3 0.5 84
(1) BOD 제거효율
BOD 제거 효율을 측정하기 위하여 수질환경공정시험법 상의 격막법을 사용하여 생물학적 용존 산소량을 측정하였다.
BOD 제거 효율
운 전 기 간 오염 물질 농도 (mg/L) 제거 효율(%) (평균)
유 입 수 (평 균) 유 출 수 (평 균)
'06. 10.24~'07. 03.23 23.3~156.3 (84.1) 2.0~8.8 (5.5) 84.3~97.5 (93.3)
(2) CODCr의 제거효율
COD는 미국 환경보호부(Environmental Protection Agency, EPA) 소정의 표준 방법을 사용하여 측정하였다.
COD 제거 효율
운 전 기 간 오염 물질 농도 (mg/L) 제거 효율(%) (평균)
유 입 수 (평 균) 유 출 수 (평 균)
'06. 10.24~'07. 03.23 99.5~325.0 (84.1) 6.8~28.0 (17.0) 82.5~94.8 (89.0)
(3) SS 제거효율
현탁 고형물의 제거 효율은 미국 환경보호부 소정의 표준 방법을 사용하여 측정하였다.
SS 제거 효율
운 전 기 간 오염 물질 농도 (mg/L) 제거 효율(%) (평균)
유 입 수 (평 균) 유 출 수 (평 균)
'06. 10.24~'07. 03.23 62.0~360.0 (166.0) 2.0~6.3 (4.2) 94.2~98.9 (97.5)
(4) 질소 제거
오·폐수 속 총 질소의 양은 미국 환경보호부 소정의 표준 방법을 사용하여 측정하였다.
총 질소의 제거 효율
운 전 기 간 오염 물질 농도 (mg/L) 제거 효율(%) (평균)
유 입 수 (평 균) 유 출 수 (평 균)
'06. 10.24~'07. 03.23 14.9~68.0 (29.8) 4.3~15.1 (8.2) 45.0~84.0 (72.0)
(5) 인 제거
오·폐수 속 총 인의 양은 미국 환경보호부 소정의 표준 방법을 사용하여 측정하였다.
총 인의 제거 효율
운 전 기 간 오염 물질 농도 (mg/L) 제거 효율(%) (평균)
유 입 수 (평 균) 유 출 수 (평 균)
'06. 10.24~'07. 03.23 1.2~6.0 (3.4)· 0.2~1.3 (0.5) 60.9~94.7 (85.0)
본 발명에 의해 고농도 미생물을 포함하는 공정이 안정적으로 운전될 경우, 종래 기술의 생물학적 처리 장치와 비교했을 때, 우선 반응조의 용적을 줄일 수 있으며 처리하는 유입 유량과 오염물질의 부하율도 늘릴 수 있다. 또한 기존의 활성슬러지 공정의 중력식 침전조를 대체한 구성이기 때문에, 기존 공정에서 고액분리에 필요했던 시간의 1/3 이하의 공정 시간을 소요하고도 오·폐수를 효율적으로 처리할 수 있다. 따라서 도 1에 제시한 것과 같은 공정에서 고액분리조가 차지하는 부지면적도 획기적으로 줄일 수 있다. 활성슬러지 공정을 채택한 대부분의 하폐수 처리장에서는 슬러지 팽화현상이나 미소 플록(floc)의 증가가 지속될 경우, 슬러지 유실로 인해 유출수 수질이 급격히 악화되어 운전 자체가 불가능해지게 된다. 본 발명에 의한 하폐수처리 장치 및 방법는 하폐수처리장의 이러한 불안정성을 완벽하게 개선할 수 있으며, 간헐폭기조(12)의 미생물 농도를 재래식 활성슬러지 공법이 채택하고 있는 2,000~3,000 mg/L의 2배 이상으로 유지시켜 생물학적 유기물 제거, 질산화, 탈질, 인 제거 및 기타 오염물질의 제거율을 향상시킨다. 뿐만 아니라, 간헐폭기조(12)의 적절한 고형물 농도 및 고형물 체류시간(solids retention time, SRT)을 유지하기 위하여 슬러지 반송라인(20)을 통해 배출되는 잉여슬러지는 다량의 기포를 함유하고 있기 때문에 탈수성이 뛰어나 슬러지의 최종 처분비용을 감소시킨다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 슬러지 부상 고액분리를 이용한 하폐수처리 장치 및 방법는 하폐수 중의 유기물, 질소, 인 및 입자상 물질 등을 효과적으로 제거하기 위한 하폐수 처리 장치 및 방법로서, 기대되는 효과는 다음과 같다.
첫째, 고농도의 생물학적 고형물을 안정적으로 고액분리할 수 있으므로 간헐폭기조(생물반응조)의 MLSS 농도를 원하는 수준으로 높게 유지할 수 있다는 점이다. 생물반응조의 미생물 농도를 높게 유지할 경우, 높은 유기물 부하율에 대해 운전이 가능하며, 수리학적 체류 시간을 대폭 단축시킬 수 있어 정해진 시간 내에서 처리용량이 증가 되므로 전반적인 처리 효율의 상승효과를 얻을 수 있다.　 뿐만 아니라 반응조 미생물 농도 상승은 질산화 미생물 및 인제거 미생물의 농도 상승으로 이어져 하폐수 중의 암모니아성 질소에 대한 질산화율과 인 제거 효율을 향상시키게 된다.
둘째, 기존의 활성슬러지 공정에서의 침전과정을 슬러지 부상 농축이 대신하게 되므로 고액분리에 필요한 시간이 침전과정에 비해 1/3 이하로 감소하는데 따른 고액분리조 소요부지면적 감소 효과를 얻을 수 있다.
셋째, 고액분리 과정에서 부상 농축된 슬러지는 다량의 기포를 함유하고 있다. 따라서 처리수 유출시 생물학적 고형물이 함께 유출되지 않으므로 전반적인 SS 제거율이 기존의 활성슬러지 공정에 비해 향상된다. 기존 활성슬러지 공정의 경우, 미소플록 또는 슬러지 팽화 현상의 발생 등과 같은 슬러지 상태의 변화에 따라 처리수질이 큰 영향을 받는데 반해 본 발명에 의한 슬러지 부상 농축을 이용하면 매우 안정적인 고액분리가 가능하므로 항상 양호한 처리수질을 얻을 수 있다. 또한 배출되는 잉여 슬러지는 다량의 기포를 함유하고 있기 때문에 탈수성이 뛰어나 슬러지의 최종 처분비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (21)

  1. 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치에 있어서,
    하폐수 처리 대상 원수에 미세기포를 공급하기 위한 산기관을 하단에 갖추고 있고,
    받아들인 원수로부터 미세기포에 의해 분리되어 부상된 슬러지를 배출하기 위한 통로를 상단에 갖추고 있으며,
    원수로부터 슬러지가 분리된 처리수를 배출하는 부상 고액분리조를 포함하고,
    상기 산기관은 1.8~3.0 바(bar)의 압력으로 부상 고액분리조 하방으로부터 상방으로 미세기포를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부상 고액분리조 전방에 하폐수 처리 대상 원수와 슬러지를 받아들이는 전탈질조 및
    상기 전탈질조로부터 원수를 받아들이며, 폭기를 위한 산기장치를 갖추고 있고, 상기 부상 고액분리조로 원수를 배출하는 간헐폭기조를 더 포함하고,
    상기 부상 고액분리조 후방에 상기 부상 고액분리조 상단의 통로를 따라 배출되는 슬러지를 받아들이고 상기 슬러지를 상기 전탈질조로 반송하는 슬러지 저류조 및
    상기 부상 고액분리조로부터 배출되는 처리수를 받아들이는 처리수 저류조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부상 고액분리조는 처리수를 배출하기 위한 처리수 유출 라인 또는 개구(開口)를 부상 고액분리조 하단의 산기관 위에 더 포함하는 것이 특징인, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부상 고액분리조는 슬러지의 배출을 돕기 위한 스키머(skimmer)를 더 포함하고, 상기 스키머는 고액분리에 필요한 부상시간에 따라 그 작동 시간을 달리하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 처리수 저류조는 받아들인 처리수의 일부를 상기 부상 고액분리조 하부로 간헐적으로 반송하기 위한 처리수 순환 라인을 더 포함하고, 상기 처리수 순환라인에 의하여 반송된 처리수는 상기 부상 고액분리조 내 산기관보다 하부의 위치에서 상기 부상 고액분리조로 유입되는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물 학적 하폐수 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부상 고액분리조는 전단과 후단의 두 구획으로 나뉘고,
    상기 전단과 후단은 각각 그 하부에 산기관을 포함하며,
    전단에서 고액분리된 처리수가 후단에서 다시 고액분리되는 것이 특징인, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부상 고액분리조는 전단과 후단의 고액분리 시간을 서로 다르게 운전하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산기관은 세라믹 멤브레인 재질인 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 슬러지 저류조는 슬러지를 전탈질조로 반송하기 전에 슬러지층에 포함된 기포를 탈기시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 간헐폭기조는 두 개의 구획으로 나뉘고, 각 구획에서 주기적인 교호(交互) 폭기가 일어나 각 구획별로 호기 및 혐기 조건을 교대로 달성하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 장치.
  12. 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법에 있어서,
    (a) 하폐수 처리 대상 원수 및 슬러지가 전탈질조에 유입되어 슬러지 미생물에 의한 탈질 반응과 인 방출 반응이 일어난 다음, 원수가 간헐폭기조로 이동하는 단계;
    (b) 유산소 조건하의 간헐폭기조에서 슬러지 미생물에 의하여 원수에 포함된 암모니아성 질소가 상기 간헐폭기조 내에서 질산성 질소로 산화되고 상기 슬러지 미생물에 의한 인의 과잉섭취가 일어나는 단계;
    (c) 상기 간헐폭기조로부터 부상 고액분리조로 받아들인 원수에 대하여, 상기 부상 고액분리조의 하단에 설치된 산기관에서 1.8~3.0 바(bar)의 압력으로 발생되는 미세기포를 공급하여, 원수 중 슬러지 및 고형물을 상기 고액분리조 상단으로 상기 슬러지 및 고형물을 제외한 액체 성분인 처리수를 하단으로 각각 분리하는 단계;
    (d) 상기 부상 고액분리조에서 고액분리된 처리수를 처리수 저류조로 배출하고, 상기 부상 고액분리조에서 분리된 슬러지 및 고형물을 슬러지 저류조로 보내는 단계 및
    (e) 슬러지 저류조에 저장된 슬러지의 일부를 전탈질조로 반송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 부상 고액분리조는 전단과 후단의 구획으로 나뉘어져 있어서, 상기 (c) 단계는 전단에서 고액분리가 이루어지며,
    상기 (c) 단계와 d) 단계 사이에,
    (c') 상기 부상 고액분리조 후단에서 상기 (c) 단계 전단의 처리수를 받아들여 하단에 설치된 산기관에 의한 미세기포의 공급을 통하여 상기 (c) 단계와 동일하게 고액분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 원수가 부상 고액분리조에서 체류하는 시간은 30~60분인 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 원수가 부상 고액분리조에서 체류하는 시간은 전단에서 40~45분, 후단에서 15~20분인 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 고액분리된 처리수는 상기 부상 고액분리조 하부의 산기관 위에 위치한 처리수 유출 라인 또는 개구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 간헐폭기조는 두 개의 구획으로 나뉘고, 주기적인 교호 폭기가 일어나 각 구획별로 호기 및 혐기 조건을 교대로 달성하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 슬러지를 전탈질조로 반송하기 전에 슬러지층에 포함된 기포를 탈기시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 (b)단계의 간헐폭기조 내 미생물농도는 3,000 mg/L 이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 하폐수 처리 방법은
    (f)상기 처리수 저류조의 처리수 일부를 간헐적으로 상기 부상 고액분리조로 반송하되, 상기 부상 고액분리조의 산기관보다 하부 지점으로 반송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액분리를 통한 생물학적 하폐수 처리 방법.
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