KR101273937B1

KR101273937B1 - 메탄균 농축 장치

Info

Publication number: KR101273937B1
Application number: KR20110050809A
Authority: KR
Inventors: 상 민 이
Original assignee: 디에이치엠(주)
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-06-11
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: KR20120132155A

Abstract

본 발명은 메탄균 농축장치에 관한 것으로 더 상세하게는 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 오수 및 폐수 등에 포함된 유기물을 발효시켜 바이오 가스를 얻고 그 과정에서 발생 되는 농축수를 방류 용도 및 기준에 맞추어 여과 처리하여 여과수로 방류할 수 있게 한 것이다.
본 발명은 혐기조(100)에 저장된 유입원수 또는 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 배출하기 위하여 상기 혐기조(100)의 일측에 설치된 배출펌프(200); 상기 혐기조(200)에 공급된 유입원수 및 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 여과하여 여과수로 배출하거나 다시 혐기조(100)로 공급하기 위하여 일측이 상기 배출펌프(200)와 연결된 유입부(301)로 구성되고, 타측은 유입원수 및 농축수를 혐기조(100)로 투입하기 위한 순환부(302)로 구성되며, 상기 유입부(301)와 순환부(302) 사이에는 중공사막(401)이 설치되어 상기 유입부(301)로부터 순환부(302)측으로 유동하는 유입원수 및 농축수를 여과 처리하는 여과부(303)로 구성되고, 상기 여과부(303)를 경유하면서 유동 되는 여과수를 배출하는 배출부(304)를 갖는 멤브레인 프레임(300); 상기 멤브레인 프레임(300)에 중공사막(401)을 설치하기 위하여 중공사막(401)이 가지런히 정열된 중공사막 카트리지(400); 상기 중공사막 카트리지(400)를 상기 멤브레인 프레임(300)에 분해 결합할 수 있도록 상기 멤브레인 프레임(300)의 여과부(303)에 마련된 카트리지 장착부(305);로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

메탄균 농축 장치{CONCENTRATION APPARATUS FOR METHANE FERMENTATION}

본 발명은 메탄균 농축 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 오수 및 폐수 등에 포함된 유기물을 발효시켜 바이오 가스를 얻고 그 과정에서 발생 되는 농축수를 방류 용도 및 기준에 맞추어 여과 처리하여 여과수로 방류할 수 있도록 하기 위한 메탄균 농축장치에 관한 것이다.

일반적으로 축산분뇨와 음식물 쓰레기 등의 축산 및 생활하수 폐기물은 부패를 일으키고 침출수 등으로 방류되어 환경 오염원이 되므로 폐기처리에서는 반드시 종류별로 취합하여 정해진 폐기물 처리과정을 거쳐 폐기되도록 관리되고 있다.

오폐수에 포함된 유기성 폐기물을 재활용하기 위한 방법과 기술들이 알려져 있다. 대표적으로 유기폐기물을 퇴비로 재활용하는 기술, 유기폐기물을 이용하여 바이오가스(또는 메탄가스)를 생산하고 이 바이오가스를 에너지화하는 기술들이다.

오폐수 처리, 그리고 재활용을 위한 기술적인 방법은 일부 형식적 차이는 있으나 대부분 오폐수를 혐기조를 통해 고도처리하는 형식이다.

혐기조는 미생물 번식과 종균 발효를 활성화시키기 위하여 적정 수분과 온도를 유지시킬 수 있도록 열을 가할 수 있는 수단, 종균 발효 과정에서 생성된 바이오가스를 뽑아내기 위한 수단, 그리고 처리가 완료된 처리수를 배출하기 위한 수단을 갖는다.

오폐수 처리 과정에서 발생 되는 바이오가스 재활용에 대한 기술들은 대한민국 특허공개 공개번호 제1999-0046725호와 특허공개 공개번호 제2001-0112168호 및 등록특허 제10-0743373호에 개시되어 있다. 이 기술들은 오폐수 고도처리 공정 중 혐기조를 통해 의도적으로 바이오가스를 발생시켜 이것을 에너지로 활용하는 기술이다.

축산 분뇨, 폐기 음식물 등이 포함된 오폐수는 유기성 폐기물로서 환경만 조절되면 미생물 배양과 성장 그리고 발효가 빠르게 나타나 에너지원으로 활용 가능한 바이오가스를 대량으로 생산할 수 있으나 다른 한편으로는 처리수를 최소한 특정 용도로 활용하거나 방류 가능 정도로 정화하는 고도처리가 문제로 남는다.

오폐수 분해 처리과정에서 가스를 효과적으로 회수하는 것과 분해 처리 과정에서 지속적으로 방출되는 처리수를 방류 기준치에 적합할 정도로 고도처리를 맞추는 것은 서로 충돌되는 복잡한 메커니즘에 속한다.

이를 혐기성 반응과정을 통해 살펴보면, 일반적으로 혐기성 반응은 생물학적으로 분해 가능한 유기물이 산소가 없는 상태에서 CO2와 CH4로 분해되는 과정으로 정의되지만, 실제로는 기질에 따른 반응경로 및 여러 미생물이 관련된 복잡한 반응으로 이루어진다.

고형 유기물이 메탄으로 전환되는 혐기성 분해반응은 고분자를 저분자로 변화시키는 가스분해단계(Hydrolysis)와, 산을 형성시키는 메탄가스 형성단계(Methanogenesis)로 구분할 수 있다. 가스분해와 발효단계를 비메탄생성상(Non-methanogenesis phase), 메탄형성 단계를 메탄생성상(Methanogenesis phase)이라 한다. 가스분해와 발효단계의 관점에서 BOD가 감소하지 않는 것으로부터 BOD 일정상, 메탄형성단계를 BOD 감소상 이라고도 한다.

가스분해 단계는 여러 미생물이 분비하는 셀로비아제(cellobiase), 아밀라제(amylase), 프로테아제(protease), 리파이제(lipase)등의 체외효소(Extracelluar Enzymes)에 의해 고분자 물질이 연쇄적으로 저분자 물질로 가스분해되는 과정으로 전체 혐기성 분해반응의 율속단계(Rate-limiting step)로 알려져 있으며, pH, 온도, 가스 분해 효소뿐만 아니라, 고형물 상의 슬러지 형태, 크기 및 잔류농도에 영향을 받고, 또한 생성된 유기산에 의해 저해를 받는 복잡한 반응이다.

이러한 율속단계로 인한 혐기성 반응 제한을 극복하고 혐기성 반응의 효율을 증가시키기 위해서 슬러지의 화학적, 물리적 및 생물학적인 전처리 방법도 연구되어 왔다.

가스분해에 의해 생성된 저분자 유기물질은 발효에 관련된 미생물의 탄소원 및 에너지원으로 이용되며 이때의 주된 산 생성 물질들은 VFAs(Volatile Fatty Acids)등과 같은 저분자 지방산과 알콜 등이다. 산 생성 반응시의 환원 생성물은 소화조내 산 생성균의 종류와 pH, HRT, 온도 등의 환경특성에 따라 달라지는데 어떤 산 생성균은 주로 수소가스를 발생시키거나 아세트산보다 고분자의 위발산이나 유기물질로부터 아테트산, 탄산가스, 수소가스 및 암모니아를 발생시킨다.

산 생성 단계의 영향 인자로는 pH는 5.7 ~ 6.0이 최적범위이고, 최적온도는 중온(37℃)과 고온(52℃)의 두 가지가 있지만, 중온의 경우 산생성물의 분포가 일정하기 때문에 고부하에서 고온보다 더 안정적이다.

메탄형성단계는 혐기성 분해반응의 최종 산물인 메탄에 생성되는 과정으로서 아세트산을 이용하는 메탄균과 H2를 이용하는 메탄균에 의해 수행되는데, 생성되는 메탄가스의 약 70%는 아세트산에서, 그리고 30%가 H2와 CO2에서 발생 된다.

TPAD(two-phase anaerobic digestion)공정은 대부분의 혐기성 처리공정이 최적의 산 생성조건과 메탄생성 조건을 동시에 만족시키지 못한다는 전제로부터 출발하였다. 각각의 단계에 관여하는 두 그룹의 미생물은 성장속도가 다르기 때문에, 산 생성 박테리아와 메탄생성 미생물의 성장을 극대화할 수 있는 단일반응기를 선정한다는 것 자체가 불가능하다. 예를 들면 산 생성 미생물의 성장에 적합한 운영인자는 짧은 HRT와 낮은 pH에 대해 메탄생성 미생물은 극심한 저해를 받는다.

두 미생물 그룹의 성장 동력 차이점을 이용하기 위해 분리공정이 제안되어 있다. 상 분리를 달성하기 위하여 예를 들면, 막(membrane) 분리기술, 동력학적 제어기술 그리고 pH 제어기술 등이 제안되어 있다.

동력적 제어와 pH제어기술은 산 생성과 메탄생성 단계를 분리하는데 유용하였으며, 현재까지도 많은 연구를 통해 이용되고 있다.

분리된 각각의 공정에서는 서로 다른 그룹의 미생물의 배양과 농축이 가능하기 때문에 운영 인자를 최적화할 수 있게 되었다.

2상 분리 혐기성 공정은 산 생성과 메탄 생성 미생물을 위한 최적의 조건을 만족시킴으로써 각각의 단계에서 유기물 전화속도를 최대로 할 수 있기 때문에 반응조 부피를 감소할 수 있고, 산 생성단계에서 고농도의 유기물 부하, 수리학적 부하에 대한 균등조 역할을 하기 때문에 환경 인자의 변화에 민감한 메탄생성 미생물의 저해를 줄일 수 있다는 장점으로 최근 들어 각광을 받고 있는 공정이다. 반면, 산 생성단계에서 수소가 농축됨으로써 저해를 받거나, 산 생성 미생물과 메탄생성 미생물 간의 상호 의존적인 관계가 성립되지 않는 문제점들도 나타났다.

따라서, 오폐수의 혐기성 반응에 직접 관여하는 인자들, 예를 들면 오폐수 농도pH, 온도, 분해 효소뿐만 아니라, 오폐수 슬러지의 형태와 크기 및 잔류 농도 등에 영향을 가급적 주지 않으면서 침출수를 정상적인 혐기성 반응과정을 진행하면서 슬러지의 분해를 촉진시켜 다량의 가스를 회수하는 동시에 슬러지와 분리되어 배출되는 처리수를 기준치에 부합되는 정도의 방류 가능한 배출수로 고도처리하는 메커니즘이 필수적이다.

이와 같이 종래의 오폐수 처리장치에서의 혐기성 반응 과정은 1차적으로 오폐수 슬러지의 분해를 촉진하도록 설계되어 있다. 이로 인해 혐기 반응과정에서 처리되는 배출수의 처리 상태를 조절하거나 오염 방류 기준치를 충족시키지 못한 채 배출될 가능성이 크다.

종래의 오폐수 처리장치는 바이오 가스를 얻고 발생 되는 수분은 여과 처리하여 방류처리하도록 되어 있으나 방류 수질 기준치에 미달하는 문제점이 있었으며 그 원인 중의 하나는 혐기 반응으로 슬러지를 분해 처리하는 과정에서 충분한 메탄균 농축 과정을 거치지 않고 배출수로 배출하는데 따른 것이다. 종래에는 메탄균 활성화를 위한 농축장치가 없다.

실제로 현재 가동 중인 국내 대부분의 하수처리장은 표준활성슬러지 공정이나 변형된 시설물로 설계되어 있어 부영영화 방지 및 환경규제 강화에 따른 방류수 수질기준을 만족시키지 못한다.(참고: 2001.10 환경부 지정 방류수 수질기준, BOD 10mg/ℓ 이하, COD 40mg/ℓ이하, SS 10mg/ℓ이하, TN 20mg/ℓ이하, TP 2 mg/ℓ이하)

본 발명은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 오폐수를 혐기 반응으로 유도하여 오폐수 슬러지를 분해하고 그 분해 과정에서 발생 되는 가스를 회수하여 에너지로 사용하고 생성된 처리수는 외부로 배출하도록 하는 오폐수 처리장치에서 오폐수의 혐기 반응을 활성화시키고 처리수를 고도처리하여 오폐수를 방류수 수질 기준에 부합되도록 여과 처리할 수 있는 메탄균 농축장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 오폐수 처리를 위한 기존 시설을 활용하여 경제적이면서도 안정적으로 저에너지 저비용 운전이 가능한 메탄균 농축장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 메탄균 농축장치는,

오폐수로 분류된 유입원수를 유입 저장하는 공간이 있고 그 공간으로 유입 저장되는 오폐수에 대하여 미생물에 의한 혐기 반응을 일으켜 유기성 슬러지를 분해 처리하는 혐기조와, 상기 혐기조 내부에서 혐기 반응을 유도하여 유입원수에 포함된 유기성 슬러지를 분해 처리하고, 상기 혐기조 내부에서의 혐기 반응으로 발생 되는 가스를 회수하는 한편 혐기 반응 과정 및 유입원수 처리과정에서 배출되는 농축수를 여과 처리하여 배출하도록 구성된 메탄균 농축장치에 있어서,

상기 혐기조에 저장된 유입원수 또는 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 배출하기 위하여 상기 혐기조의 일측에 설치된 배출펌프;

상기 혐기조에 공급된 유입원수 및 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 여과 하여 여과수로 배출하거나 다시 혐기조로 공급하기 위하여 일측이 상기 배출펌프와 연결된 유입부로 구성되고, 타측은 유입원수 및 농축수를 혐기조로 투입하기 위한 순환부로 구성되며, 상기 유입부와 순환부 사이에는 중공사막이 설치되어 상기 유입부로부터 순환부측으로 유동하는 유입원수 및 농축수를 여과 처리하는 여과부로 구성되고, 상기 여과부를 경유하면서 유동 되는 여과처리수를 배출하는 배출부를 갖는 멤브레인 프레임;

상기 멤브레인 프레임에 중공사막을 설치하기 위하여 중공사막이 가지런히 정열된 중공사막 카트리지;

상기 카트리지를 상기 멤브레인 프레임에 분해 결합할 수 있도록 멤브레인 프레임의 여과부에 마련된 카트리지 장착부;로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 멤브레인 프레임의 유입부는 유체의 유동 흐름에 장애를 주지 않고 여과부로 유체의 흐름 유동을 유도할 수 있도록 경사면으로 구성되고,

상기 멤브레인 프레임의 순환부는 유동 유체를 모아서 상기 혐기조로 보내기 위한 경사면으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 멤브레인 프레임의 배출부는, 여과부를 통해 여과된 물을 집수하는 집수유로를 상기 카트리지 장착부의 하부를 따라 구성하고, 상기 집수유로의 일측에는 여과수를 외부로 내보내기 위한 배출공을 형성하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중공사막 카트리지는, 상기 멤브레인 프레임의 카트리지 장착부를 따라 삽입될 수 있는 폭과 넓이를 갖으며 그 내부측으로는 여러 장의 중공사막을 수직방향으로 배열하여 고정하고, 하부에는 상기 중공사막을 통과하면서 여과된 여과수를 흘려 보내기 위한 드레인홀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중공사막 표면에 수거된 불순물 또는 슬러지를 중공사막 표면에서 털어내기 위하여 상기 멤브레인 프레임의 유입부와 여과부 그리고 순환부로 유동하는 방향성 흐름 유체를 압송 흐름 유동으로 변화시키는 압송펌프를 설치하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 메탄균 농축장치는 오폐수를 혐기 반응으로 유도하여 오폐수 슬러지를 분해하고 분해 과정에서 발생 되는 가스를 회수하여 에너지로 사용하고 생성된 처리수는 중공사막을 통해 여과하여 여과수로 외부로 배출하도록 하는 오폐수 처리장치에서 오폐수의 혐기처리 반응에 필요한 슬러지 농도에 영향을 적게 주는 가운데 발생된 여과수를 방류수 수질 기준을 필요에 따라 만족시켜 배출할 수 있으므로 오폐수 처리 불량에 따르는 환경 오염을 예방할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존 오폐수 시설물을 최대한 활용하여 비교적 간단한 멤브레인 추가 구성을 통해 경제적이면서도 안정적으로 오폐수를 여과수로 방출할 수 있으므로 규정 방류수 수질기준에 맞게 여과수의 수질을 조절하여 배출할 수 있는 효과가 있다.

또한, 하수종말 처리장과 같은 대용량 하수 처리에 적용하여 오폐수를 여과 처리할 수 있으며 유지 및 관리가 용이하고 고도의 오폐수 처리를 위한 에너지 소비가 적어 설비의 경제적 운전과 효율적 운전이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 오폐수 처리공정 설명도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 메탄균 농축장치의 구성 요부 도식도.
도 3의 (a)(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 메탄균 농축장치를 나타낸 것으로, (a)는 정면도, (b)는 평면도.
도 4는 본 발병의 실시 예에 따른 멤브레인 카트리지 및 프레임의 상세 구조를 나타낸 것으로 (a)는 사시도, (b)는 정면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메탄균 농축장치를 나타낸 도면.

이하, 도면을 참고로 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 오폐수 처리공정 설명도 이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 메탄균 농축장치의 구성 요부 도식도 이다. 도 3의 (a)(b)는 본 발명의 실시 예에 따른 메탄균 농축장치를 나타낸 것으로, (a)는 정면도, (b)는 평면도이다. 도 4는 본 발병의 실시 예에 따른 멤브레인 카트리지 및 프레임의 상세 구조를 나타낸 것으로 (a)는 사시도, (b)는 정면도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메탄균 농축장치를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 메탄균 농축장치는, 도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 혐기조(100)를 통해 오폐수로 분류되는 유입원수를 혐기 반응을 통해 분해 처리하고 유입원수 및 농축수에 대한 고도 처리가 가능 하도록 구성된다.

혐기조(100)는 유입원수를 유입 저장하는 공간(101)이 있고 그 공간(101)으로 유입 저장되는 오폐수에 대하여 미생물에 의한 혐기 반응을 일으켜 유기성 슬러지를 분해 처리하도록 구성된다.

그리고, 혐기조(100) 내부에서 혐기 반응을 유도하여 유입원수에 포함된 유기성 슬러지를 분해 처리하고, 상기 혐기조(100) 내부에서의 혐기 반응으로 발생 되는 가스를 회수하는 한편 혐기 반응 과정 및 유입원수 처리과정에서 배출되는 농축수를 여과 처리하여 배출하도록 구성된다.

메탄균 농축장치를 구성하는 주요 부분은, 혐기조(100)에 저장된 유입원수 또는 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 배출하기 위하여 상기 혐기조(100)의 일측에 설치된 배출펌프(200)로 구성된다. 도 2에는 배출펌프(200)가 혐기조(100)와 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)측에 배출유로(201)로 연결되어 있는 상태가 나타나 있다.

그리고, 상기 혐기조(200)에 공급된 유입원수 및 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 여과하여 여과수로 배출하거나 다시 혐기조(100)로 공급하기 위하여 일측이 배출펌프(200)와 연결된 유입부(301)로 구성되고, 타측은 유입원수 및 농축수를 혐기조(100)로 투입하기 위한 순환부(302)로 구성되며, 유입부(301)와 순환부(302) 사이에는 중공사막(401)이 설치되어 상기 유입부(301)로부터 순환부(302)측으로 유동하는 유입원수 및 농축수를 여과 처리하는 여과부(303)로 구성되고, 여과부(303)를 경유하면서 유동 되는 여과수를 배출하는 배출부(304)를 갖는 멤브레인 프레임(300)이 구성된다.

그리고, 멤브레인 프레임(300)에 중공사막(401)을 설치하기 위하여 중공사막(401)이 가지런히 정열된 중공사막 카트리지(400)가 별로의 부품으로 구성된다.

그리고, 중공사막 카트리지(400)를 멤브레인 프레임(300)에 분해 결합할 수 있도록 멤브레인 프레임(300)의 여과부(303)에는 카트리지 장착부(305)가 구성된 다. 카트리지 장착부(305)는 중공사막 카트리지(400)를 멤브레인 프레임(300)의 여과부(303)에 필요에 따라 넣거나 뺄 수 있도록 구성된 것이다.

여기서, 중공사막(401)의 제조는 폴리에틸렌(PE) 소재로 중공사막(401) 본체를 제조한 후 내,외부 표면에 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 소재를 코팅하거나 또는 연신법을 적용하여 내약품성이 우수한 PVDF 소재의 중공사막(401)으로 제조하는 것이 바람직하다.

또한, 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)는 유체의 유동 흐름에 장애를 주지 않고 여과부(303)로 향하는 유체의 흐름 유동을 유도할 수 있도록 하부에서 상부 방향으로 점진적으로 기울어지는 경사면(306a)으로 구성되고, 멤브레인 프레임(300)의 순환부는(302) 유동 유체를 모아서 상기 혐기조(100)로 보내기 위하여 상부에서 하부 방향으로 점진적으로 기울어지는 경사면(306a)으로 구성된다.

여기서, 유입부(301)측의 경사면(306a)은 유체를 자연적으로 여과부(303)로 흘려보낼 수 있도록 기울기의 방향이 유체 흐름에 장애를 주지않고 여과부(303)측으로 흐를 수 있도록 형성되어 있다. 이에 대하여 순환부(302)측 경사면(306b)은 여과부(303)를 통과한 유체를 한곳으로 모아서 혐기조(100)로 흘러들어갈 수 있도록 기울기가 형성되어 있다.

또한, 멤브레인 프레임(300)의 배출부(304)는, 상기 여과부(303)를 통해 여과된 물을 집수하는 집수유로(307)가 상기 카트리지 장착부(305)의 하부를 따라 구성되고, 상기 집수유로(307)의 일측에는 여과수를 외부로 내보내기 위한 배출공(308)이 구성된다.

또한, 중공사막 카트리지(400)는, 상기 멤브레인 프레임(300)의 카트리지 장착부(305)를 따라 삽입될 수 있는 폭과 넓이를 갖으며 그 내부측으로는 여러 장의 중공사막(401)이 수직방향으로 배열되어 고정되고, 하부에는 상기 중공사막(401)을 통과하면서 여과된 여과수를 흘려 보내기 위한 드레인홀(402)이 구성된다.

또한, 중공사막(401) 표면에 수거된 불순물 또는 슬러지를 중공사막(401) 표면에서 털어내기 위하여 상기 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)와 여과부(303) 그리고 순환부(302)로 유동하는 방향성 흐름 유체를 압송 흐름 유동으로 변화시키는 압송펌프(500)를 설치하여 상기 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)와 순환부(302)에 새로운 압송유로(501)가 구성된다.

도 5는 메탄균 농축장치의 다른 구성 예를 나타낸 것으로 중공사막 카트리지(400)가 여과부(303)의 공간을 모두 채우지 않고 상부측이 공간으로 비워져 있는 상태를 나타낸 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 메탄균 농축장치의 슬러지 농축과 오폐수 처리공정, 그리고 작용효과를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 메탄균 농축장치는, 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 생활하수 등에 다량으로 존재하는 슬러지가 포함된 오폐수를 메탄균 등의 미생물 활성화를 통한 발효 처리가 가능한 혐기조(100)를 통해 분해 처리하고 그 과정에서 발생되는 가스를 회수하여 재생 에너지로 활용하도록 하는 동시에 혐기조(100)의 혐기 반응에서 필수적으로 요구되는 슬러지 형상 및 밀집 농도 등에 영향을 미치지 않으면서 메탄균을 농축한다.

그리고, 오폐수의 분해 전후 처리 과정에서 발생 되는 유입원수 및 농축수를 여과부(303)에 설치된 중공사막(401)을 통해 고도처리(Membrane bioreactor)하여 수질기준을 만족시키는 적정 여과수로 배출할 수 있고 여과수의 처리 기준을 달리하여 여과수를 그대로 농업용 액비로도 쓸 수 있게 여과수의 처리 상태를 자유롭게 조절한다.

알려진 바와 같이 오폐수 처리에서 혐기조(100)를 통한 혐기 반응은 미생물 활성화에 필요한 슬러지의 밀집도와 농도를 요구한다. 즉, 슬러지의 양이 지나치게 부족하면 종균의 활성화 속도가 떨어져 분해 시간이 길어지고 가스의 회수량도 떨어진다.

본 발명에 따른 메탄균 농축장치는 유입원수 또는 분해 처리가 종료된 잉여 농축수가 멤브레인 프레임(300)을 자연스럽게 경유하도록 유도하고 그 과정에서 중공사막(401)을 통해 유입원수와 농축수에 잔류하는 슬러지 및 불순물 그리고 유해성 성분으로 분류되는 질소와 인을 탈인, 탈질 하여 여과수로 배출한다.

일반적인 오폐수 처리장은 표준 활성 슬러지 공정이나 변형된 시설물로 설계되어 있어 부영영화 방지 및 환경규제 강화에 따른 방류수 수질기준을 만족시키지 못한다. 예를 들면, 2001.10 환경부 지정 방류수 수질기준으로 고시된 BOD 10mg/ℓ 이하, COD 40mg/ℓ이하, SS 10mg/ℓ이하, TN 20mg/ℓ이하, TP 2 mg/ℓ이하의 수질 조건을 만족시키기 위해서는 오폐수의 고도처리를 필요로 한다.

본 발명은 중공사막(401) 방식으로 오폐수를 고도 처리하기 위하여 별도의 여과부(303)를 갖는 멤브레인 프레임(300)을 구성하고 그 여과부(303)에 유입원수 및 혐기 반응 후 액상으로 배출되는 농축수를 중공사막(401)을 통해 여과되도록 함으로서 오폐수의 방류 수질 기준을 만족시킨다.

전술한 바와 같이 기존 오폐수 처리장은 유기성 슬러지를 혐기 반응으로 분해하고 재생에너지를 얻는 것을 위주로 설계되어 있다. 이에 따라 방류 수질 기준을 조절하거나 또는 수질 기준을 만족시키기 어렵다. 이를 위하여 고도 처리를 하는 경우 설비가 복잡해지고 에너지 사용이 증가하는 반면 낮은 경제성과 시설물 관리 및 운전을 안정적으로 유지하지 못하는 단점이 있어 실제 오폐수 처리에 있어서 고도 처리설비의 운용은 극히 제한적으로 이루어진다.

본 발명은 기존 처리설비의 거의 전부를 그대로 이용하면서 별도의 멤브레인프레임(300)을 통해 오폐수를 고도 처리하여 수질 기준에 부합되는 여과수로 방류할 수 있도록 되어 있다.

멤브레인 프레임(300)은 전체적으로 유입되는 유입원수 또는 농축수를 자연 흐름으로 유도하고 그 과정에서 수질 기준을 고려하여 집적도를 조절한 중공사막(401)을 통해 탈질과 탈인 그리고 슬러지 및 불순물을 흡착하여 오폐수를 고도 처리한다.

본 발명에 따른 오폐수 고도 처리과정을 살펴보면, 먼저 혐기조(100)의 혐기 반응 과정에서 발생된 농축수는 배출펌프(200)를 통해 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)를 통해 안으로 흘러들어가 여과부(303)측 중공사막(401)을 거치게 된다.

유입부(301)의 경사면(306a)은 유체 유동이 자연적으로 여과부(303)를 향하도록 돕는다. 순환부(302)는 여과부(303)의 중공사막(401)을 수평 방향으로 통과하는 여과수를 다시 혐기조(100)로 순환시켜 보내기 위하여 하부 방향으로 기울어진 경사면(306b)을 형성하여 여과수를 한곳에 모아 순환유로(202)를 통해 혐기조(100)로 재투입 시킨다.

여과부(303)에는 중공사막(401)이 설치되어 있어 각종 불순물과 슬러지를 비롯하여 인과 질소 등의 유해 성분을 중공사막(401)을 통해 흡착하고 제거함으로서 농축수를 포함한 유입원수를 고도처리 한다.

중공사막(401)을 통한 고도 처리는 유체 유동에 순응하는 방식이므로 혐기조(100)에서의 혐기 반응을 활성화 하는데 필수적인 슬러지의 밀집도에 거의 영향을 주지 않으며, 별도의 에너지 소모 없이 고도처리가 진행된다.

중공사막(401)을 통과하는 유체 성분은 중공사막(401)의 집적도에 따라 여과처리 결과를 다르게 조절할 수 있다. 예를 들면, 사용 중공사막(401)의 집적 밀도를 고집적 밀도로 하는 경우 미세한 불순물을 모두 걸러낼 수 있으며, 밀도가 낮은 중공사막(401)을 사용하면 어느 정도의 미세 성분으로 그대로 여과수로 방류된다. 이에 따라 중공사막(401)은 여과수의 방류 기준을 감안하여 적절한 고도 처리를 운용자가 직접 선택하여 처리할 수 있도록 하는 장점이 있다.

이와 같이 본 발명은 도면 및 명세서를 통하여 발명의 실시 예를 참고로 설명하였으나 예시이다. 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시가 가능하다.

100: 혐기조
101: 공간
200: 배출펌프
201: 배출유로
202: 순환유로
300: 멤브레인프레임
301: 유입부
302: 순환부
303: 여과부
304: 배출부
305: 카트리지장착부
306a.306b: 경사면
307: 집수유로
308: 배출공
400: 중공사막카트리지
401: 중공사막
500: 압송펌프
501: 압송유로

Claims

유입원수를 유입 저장하는 공간(101)이 있고 그 공간(101)으로 유입 저장되는 오폐수에 대하여 미생물에 의한 혐기 반응을 일으켜 유기성 슬러지를 분해 처리하는 혐기조(100)와, 상기 혐기조(100) 내부에서 혐기 반응을 유도하여 유입원수에 포함된 유기성 슬러지를 분해 처리하고, 상기 혐기조(100) 내부에서의 혐기 반응으로 발생 되는 가스를 회수하는 한편 혐기 반응 과정 및 유입원수 처리과정에서 배출되는 농축수를 여과 처리하여 배출하도록 구성된 메탄균 농축장치에 있어서,
상기 혐기조(100)에 저장된 유입원수 또는 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 배출하기 위하여 상기 혐기조(100)의 일측에 설치된 배출펌프(200);
상기 혐기조(100)에 공급된 유입원수 및 혐기 반응과정에서 생성된 농축수를 여과하여 여과수로 배출하거나 다시 혐기조(100)로 공급하기 위하여 일측이 상기 배출펌프(200)와 연결된 유입부(301)로 구성되고, 타측은 유입원수 및 농축수를 혐기조(100)로 투입하기 위한 순환부(302)로 구성되며, 상기 유입부(301)와 순환부(302) 사이에는 중공사막(401)이 설치되어 상기 유입부(301)로부터 순환부(302)측으로 유동하는 유입원수 및 농축수를 여과 처리하는 여과부(303)로 구성되고, 상기 여과부(303)를 경유하면서 유동 되는 여과수를 배출하는 배출부(304)를 갖는 멤브레인 프레임(300);
상기 멤브레인 프레임(300)에 중공사막(401)을 설치하기 위하여 중공사막(401)이 가지런히 정열된 중공사막 카트리지(400);
상기 중공사막 카트리지(400)를 상기 멤브레인 프레임(300)에 분해 결합할 수 있도록 상기 멤브레인 프레임(300)의 여과부(303)에 마련된 카트리지 장착부(305);로 이루어지며,
상기 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)는 유체의 유동 흐름에 장애를 주지 않고 여과부(303)로 향하는 유체의 흐름 유동을 유도할 수 있도록 하부에서 상부 방향으로 점진적으로 기울어지는 경사면(306a);으로 구성되고,
상기 멤브레인 프레임(300)의 순환부(302)는 유동 유체를 모아서 상기 혐기조(100)로 보내기 위하여 상부에서 하부 방향으로 점진적으로 기울어지는 경사면(306b);으로 구성된 것을 특징으로 하는 메탄균 농축장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인 프레임(300)의 배출부(304)는,
상기 여과부(303)를 통해 여과된 물을 집수하는 집수유로(307)가 상기 카트리지 장착부(305)의 하부를 따라 구성되고, 상기 집수유로(307)의 일측에는 여과수를 외부로 내보내기 위한 배출공(308)이 구성된 것을 특징으로 하는 메탄균 농축장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 중공사막 카트리지(400)는,
상기 멤브레인 프레임(300)의 카트리지 장착부(305)를 따라 삽입될 수 있는 폭과 넓이를 갖으며 그 내부측으로는 여러 장의 중공사막(401)이 수직방향으로 배열되어 고정되고, 하부에는 상기 중공사막(401)을 통과하면서 여과된 여과수를 흘려 보내기 위한 드레인홀(402)이 구성된 것을 특징으로 하는 메탄균 농축장치.
제 1 항에 있어서,
상기 중공사막(401) 표면에 수거된 불순물 또는 슬러지를 중공사막(401) 표면에서 털어내기 위하여 상기 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)와 여과부(303) 그리고 순환부(302)로 유동하는 방향성 흐름 유체를 압송 흐름 유동으로 변화시키는 압송펌프(500)를 설치하여 상기 멤브레인 프레임(300)의 유입부(301)와 순환부(302)에 새로운 압송유로(501)를 구성한 것을 특징으로 하는 메탄균 농축장치.