KR101326402B1 - 연속 회분식 반응조를 포함하는 막 생물 반응기 시스템 및 이를 이용한 처리 방법 - Google Patents

연속 회분식 반응조를 포함하는 막 생물 반응기 시스템 및 이를 이용한 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압식 분리막과 연속 회분식 반응기를 동시에 사용함으로써, 종래의 SBR 공법과 달리 총인의 생물학적 처리가 효과적으로 가능하며, SBR에서 과포기가 방지되고 무산소 조건이 신속하게 변환되어, 종래의 공법에 비하여 약 20% 이상의 총인 및 총질소의 생물학적 처리가 가능한, 막 생물 반응기 시스템 및 이를 이용한 처리 방법을 제공한다.

Description

연속 회분식 반응조를 포함하는 막 생물 반응기 시스템 및 이를 이용한 처리 방법{Membrane Bio Reactor system comprising Sequencing Batch Reactor and method using the same}
본 발명은 하폐수 등의 오수를 처리하기 위해 연속 회분식 반응조를 사용하는 막 생물 반응기 시스템 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것이다.
기존의 생물학적 질소 처리 방법으로는 AO, MLE(Modified Ludzack-Ettinger), SBR(Sequencing Batch Reactor, 연속 회분식 반응조) 공정 등이 있다.
자연계의 질소의 형태는 유기질소, 무기질소, 그리고 질소가스이다. 유기질소화합물은 생물학적 분해에 의하여 암모니아 형태로 전환되며, 암모니아는 질산화 과정에 의하여 질산성질소로 전환된다. 무산소 조건에서 질산성질소는 질소가스로 환원된다. 이런 일련의 과정을 생물학적 질산화-탈질 과정이라 한다.
수용성 무기질소인 NH4, NO3, NO2 들은 광합성시 식물의 영양소로 사용되며 암모니아는 pH가 높은 상태에서 기체상태로 탈기된다. 지표수에 존재하는 질소의 대부분은 토양배출수와 희석된 폐하수로부터 발생된다.
우리 나라의 유입 하수의 질소 구성을 보면 NH4가 60~70%정도이고 유기질소가 30~40%정도이다. 일반적인 활성 슬러지법에 의해 약 10~30%정도가 제거되면 생물학적 질소제거공정에서는 약 70~80%정도 제거된다. 슬러지 체류 시간(SRT)이 5일 이상이고 산소가 충분히 공급되는 포기조에서는 약 90% 정도의 질산화가 발생되며 무산소조에서 탈질은 70~90% 정도 발생된다. 따라서 유출되는 질소의 형태는 대부분 질산성질소의 형태로 존재한다.
기존의 생물학적 인 처리 방법은 A2O, 수정 바덴포(Bardenpho), VIP(Virginia Initiative Plant) 및 UCT(University of Cape Town) 공정 등이 있다.
인은 생물학적 처리시 세포 합성을 통하여 유기물과 함께 제거가 가능하다. 미생물의 성장에 필요한 영양소 구성성분비 BOD:N:P = 100:5:1에서 미생물 내의 인 함량은 1~2% 정도인데, 일반 활성슬러지법에서 인을 제거하는 경우의 효율은 BOD/P비, SRT 등에 따라 달라지나 보통 10~30%정도로 알려져 있다.
활성슬러지에서 신진대사에 필요 이상의 양으로 인이 섭취되어 제거되는 현상을 과잉섭취(Luxury uptake)라 하며, 혐기성 상태와 호기성 상태를 반복하면 혐기성 상태에서 인이 방출되고 호기성 상태에서 인이 과잉섭취된다. 따라서 생물학적으로 인을 처리하기 위해서는 혐기 상태와 호기 상태의 반응조가 필요하다.
종래의 SBR 공법의 경우, 폭기 상태와 무산소 상태를 반복하면서 운전된다. 그러나 혐기 상태를 이룰 수 없기에 총인의 생물학적 제거가 어렵다는 단점이 존재한다.
한편, 하폐수를 가압식 분리막에 적용할 경우 인 재방출 및 미생물 과산화 등의 문제점을 효과적으로 보완할 수 있으나, 일반적으로 하폐수의 MLSS가 높기에 가압식 분리막에 하폐수를 바로 적용할 수 없다는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원수의 총인 및 총질소를 보다 효과적으로 제거할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 가압식 분리막과 연속 회분식 반응기를 동시에 사용한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예는, 원수가 유입되어 인방출 처리되는 상향류식 혐기반응조; 상기 상향류식 혐기반응조에서 처리된 인방출된 처리수가 제 1 이송 라인을 통해 유입되는 연속 회분식 반응조(SBR); 및 상기 연속 회분식 반응조에서 처리된 생물학적 처리수가 제 2 이송 라인을 통해 이송되어 막분리 처리되는 가압식 분리막;을 포함하며, 상기 연속 회분식 반응조에서 생성된 슬러지가 반송 라인을 통해 상기 상향류식 혐기반응조의 하단으로 유입되는 것을 특징으로 하는, 막 생물 반응기 시스템을 제공한다.
또한, 상기 반송 라인에 슬러지 농축조가 위치하며, 그리고 상기 슬러지 농축조는, 저장된 슬러지가 기 설정된 농도 이상인 경우 상기 슬러지를 상기 상향류식 혐기반응조에 유입시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연속 회분식 반응조에 표면 포기 장치가 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가압식 분리막에서 생성된 농축수는 상기 연속 회분식 반응조에 유입되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상향류식 혐기반응조 내에 다수의 배플이 위치하며, 그리고 상기 다수의 배플에 의해 구분된 구획 중 최상측의 상기 인방출된 처리수가 상기 제 1 이송 라인을 통해 이송되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예는, (a) 상향류식 혐기반응조에 원수가 유입되어 인방출 처리되는 단계; (b) 상기 인방출 처리된 처리수가 연속 회분식 반응조에 유입되어 생물학적 처리되는 단계; (c) 상기 생물학적 처리된 처리수가 가압식 분리막에 유입되어 막분리 처리되는 단계; 및 (d) 상기 가압식 분리막에서 처리된 처리수가 배출되는 단계를 포함하는, 막 생물 반응기를 이용한 처리 방법을 제공한다.
본 발명에 의해, 종래의 SBR 공법과 달리 총인의 생물학적 처리가 효과적으로 가능하다는 장점을 갖는다.
또한, SBR에서 표면 포기 장치를 활용함으로써 과포기가 방지되고 무산소 조건이 신속하게 변환되어 종래의 공법에 비하여 약 20% 이상의 총인 및 총질소의 생물학적 처리가 가능하다.
또한, 상향류식 혐기반응조에 배플을 적용함으로써 MLSS의 washout을 방지하고 혐기 상태를 효과적으로 유지할 수 있다.
또한, 생물학적 처리와 가압식막을 동시에 사용함으로써, 고농도 MLSS의 하폐수를 가압식 분리막에 적용이 가능하며, 이를 통해 인 재방출 및 미생물 과산화 등의 문제점을 효과적으로 보완할 수 있다.
또한, 최종 처리수가 직접 재이용이 가능할 정도로 총인 및 총질서 제거 효율이 높아서, 2차 침전지 등이 별도로 필요하지 않다.
도 1은 본 발명의 시스템을 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 사용된 배플을 도시하는 평면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 처리 효율을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 주된 특징의 설명
본 발명에 따른 MBR 시스템은, 종래의 MBR 시스템과 달리 생물학적 공법과 가압식 막분리 공법이 하나의 시스템에서 이루어짐을 주된 특징으로 한다.
특히, 생물학적 공법에서는 SBR(200)에 상향류식 혐기반응조(100)가 통합된다. 이를 통하여, 종래의 SBR(200)에서는 처리할 수 없었던 총인이 상향류식 혐기반응조(100)를 통해 처리될 수 있다.
가압식 막분리 공법을 위해 다수의 가압식 분리막(400)이 사용된다. 본 발명에서는 침지식 분리막이 아닌 가압식 분리막을 사용함으로써, 인 재방출 및 미생물 과산화 등의 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 하폐수의 고농도 MLSS로 인하여 가압식 분리막을 사용할 수 없었음은 본 업계의 상식이다. 그러나 본 발명과 같이 상향류식 혐기반응조(100) 및 SBR(200)을 함께 적용함으로써, 고농도 MLSS의 하폐수에도 가압식 분리막(400)을 적용할 수 있다는 장점이 있다.
더욱이, 본 발명에 따라 상향류식 혐기반응조(100), SBR(200) 및 가압식 분리막(400)에서 처리된 처리수가 그대로 재이용 가능하기에 추가 침전지의 확보가 필요없다는 추가의 장점을 갖는다.
본 발명의 시스템의 상세한 설명
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 MBR 시스템을 보다 상세히 설명한다. 각각의 라인에는 다수의 이송 펌프(10, 20, 30)이 사용되는데, 아래의 설명에서 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 MBR 시스템은, 원수 유입 라인(15)을 통해 원수가 유입되어 인방출 처리되는 상향류식 혐기반응조(100)와, 상기 상향류식 혐기반응조(100)에서 처리된 처리수가 제 1 이송 라인(35)을 통해 상측에서 유입되어 생물학적 처리되는 SBR(200)와, 상기 SBR(200)에서 처리된 생물학적 처리수가 제 2 이송 라인(45)을 통해 이송되어 막분리 처리되는 다수의 가압식 분리막(400)을 포함한다.
상향류식 혐기반응조(100)에는, 원수 또는 원수/슬러지의 혼합수가 하측으로부터 유입되어 상향으로 유동하면서 혐기 반응이 이루어져 인방출 처리된다.
상향류식 혐기반응조(100)에 NOx가 유입되게 되면 혐기 조건이 정상적으로 이루어지지 않기에 인방출 처리 효과가 낮아진다. 이를 방지하기 위해, 상향류식 혐기반응조(100) 내측에는 개구부(111)가 있는 다수의 배플(110)에 위치하여 내부를 다수의 구획으로 구분하게 된다. 하측에서 유입된 원수 또는 원수/슬러지 혼합수는 다수의 배플을 거쳐 상측으로 이동하면서 NOx의 농도가 낮아지고, 이후 최상측 구획의 인방출된 처리수가 제 2 이송 라인(45)을 통해 SBR(200)에 유입된다.
이를 통해, 하나의 반응조 내에서 미생물 농도가 다르게 유지될 수 있으며, 하측의 구획에서는 미생물이 농밀하게 뭉침으로써 혐기 조건이 유리하게 유지될 수 있다는 장점을 갖는다.
한편, 상향류식 혐기반응조(100)에는 교반기(120)가 위치할 수 있다.
상향류식 혐기반응조(100)에서 인방출 처리된 처리수는 제 2 이송 라인(45)을 통해 SBR(200)의 상측으로 유입된다.
SBR(200)은 종래의 어떠한 방식의 SBR을 사용할 수 있다.
다만, 종래의 SBR과 달리 디스크 산기관을 갖는 것이 아니라 표면 포기 장치를 구비하는 것이 바람직하다. 이를 통해 과포기를 방지하고, 무산소 조건으로 빠르게 변환이 가능하다. 본 발명자는 디스크 산기관 대신 표면 포기 장치를 구비하는 경우 총인 및 총질소의 생물학적 처리율이 향상됨을 확인하였다.
한편, SBR(200)에는 공기 공급 장치(210)가 위치할 수 있다.
SBR(200) 후단에는 가압식 분리막(400)이 위치한다. 이러한 가압식 분리막(400)에는 종래의 어떠한 가압식 분리막을 사용할 수 있다. 여기에서, 가압식 분리막(400)의 막분리 처리에 의해 생성되는 농축수는 SBR(200)로 재유입되는 것이 바람직하다.
SBR(200)에서 생성된 슬러지는 반송 라인(25)을 통해 상향류식 혐기반응조(100)에 재유입된다.
일반적으로, SBR(200)에서 생성된 슬러지의 MLSS는 약 5,000ppm이다. 상향류식 혐기반응조(100)에는 MLSS가 약 10,000ppm인 피처리수(원수/슬러지 혼합수)가 유입되는 것이 바람직하다. 그런데, 일반적인 하폐수 MLSS는 약 200ppm임을 감안할 경우, 원수 유입 라인(15)에서 유입되는 원수와 반송 라인(25)에서 유입되는 슬러지가 그대로 상향류식 혐기반응조(100)에 유입되는 것 보다는 농축되어 유입됨이 바람직하다.
이를 위해, 본 발명에 따른 시스템은 슬러지가 농축되는 슬러지 농축조(300)를 더 포함한다. 슬러지 농축조(300)에는 SBR(200)로부터의 슬러지가 유입되어, 기 설정된 농도를 넘은 경우 상향류식 혐기반응조(100)의 하단으로 유입된다.
실시예
이상과 같은 본 발명을 아래의 표 1, 2와 같은 조건으로 가동하였다. 표 1은 SBR(200)의 가동 사이클로서, 1회의 사이클은 유입 단계, 2회의 무산소 및 폭기 단계, 다시 무산소 단계, 침전 및 유출 단계로 이루어진다.
유입 60분
무산소 50분
폭기 50분
무산소 50분
폭기 30분
무산소 20분
침전 60분
유출 40분
상향류식 혐기반응조(100) SBR(200)
수리학적 체류시간(HRT) 6시간 6시간
슬러지 체류시간(SRT) - 30일
MLSS 4,000~10,000mg/l 2,500~4,000mg/l
DO 농도 0,1ppm 2~3ppm
이상과 같은 조건에서의 총인 및 총질소 제거율이 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같다. x축은 날짜를 의미한다. 당업자는 용이하게 파악할 수 있는 바와 같이, 약 20% 이상 효율이 상승됨을 확인하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 20, 30: 이송 펌프
15: 원수 유입 라인
25: 반송 라인
35: 제 1 이송 라인
45: 제 2 이송 라인
100: 상향류식 혐기반응조
110: 배플
111: 개구부
120: 교반기
200: 연속 회분식 반응조
210: 공기 공급 장치
300: 슬러지 농축조
400: 가압식 분리막

Claims (10)

  1. 원수가 유입되어 인방출 처리되는 상향류식 혐기반응조;
    상기 상향류식 혐기반응조에서 처리된 인방출된 처리수가 제 1 이송 라인을 통해 유입되는 연속 회분식 반응조(SBR); 및
    상기 연속 회분식 반응조에서 처리된 생물학적 처리수가 제 2 이송 라인을 통해 이송되어 막분리 처리되는 가압식 분리막;을 포함하며,
    상기 상향류식 혐기반응조는,
    다수의 개구부를 포함하며 상기 상향류식 혐기반응조 내부를 다수의 구획으로 구분하는 다수의 배플을 포함하며,
    상기 연속 회분식 반응조에서 생성된 슬러지가 반송 라인을 통해 상기 상향류식 혐기반응조의 하단으로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반송 라인에 슬러지 농축조가 위치하며, 그리고
    상기 슬러지 농축조는, 저장된 슬러지가 기 설정된 농도 이상인 경우 상기 슬러지를 상기 상향류식 혐기반응조에 유입시키는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 회분식 반응조에 표면 포기 장치가 위치하는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압식 분리막에서 생성된 농축수는 상기 연속 회분식 반응조에 유입되는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배플에 의해 구분된 구획 중 최상측의 상기 인방출된 처리수가 상기 제 1 이송 라인을 통해 이송되는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기 시스템.
  6. (a) 상향류식 혐기반응조에 원수가 유입되어 인방출 처리되는 단계;
    (b) 상기 인방출 처리된 처리수가 연속 회분식 반응조에 유입되어 생물학적 처리되는 단계;
    (c) 상기 생물학적 처리된 처리수가 가압식 분리막에 유입되어 막분리 처리되는 단계; 및
    (d) 상기 가압식 분리막에서 처리된 처리수가 배출되는 단계를 포함하며, 그리고 상기 상향류식 혐기반응조는, 다수의 개구부를 포함하며 상기 상향류식 혐기 반응조 내부를 다수의 구획으로 구분하는 다수의 배플을 포함하는,
    막 생물 반응기를 이용한 처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후,
    (b1) 상기 연속 회분식 반응조의 생물학적 처리에 따라 생성된 슬러지가 상기 원수와 함께 상기 상향류식 혐기반응조에 유입되는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기를 이용한 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (b1) 단계는,
    (b11) 상기 연속 회분식 반응조의 생물학적 처리에 따라 생성된 슬러지가 슬러지 농축조에 유입되어 농축되는 단계; 및
    (b12) 상기 농축된 슬러지의 농도가 기 설정된 농도 이상인 경우, 상기 슬러지가 상기 상향류식 혐기반응조에 유입되는 단계
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기를 이용한 처리 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후,
    (d1) 상기 가압식 분리막에서의 처리에 따라 생성된 농축수가 상기 연속 회분식 반응조에 유입되는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기를 이용한 처리 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 인방출 처리된 처리수가 상기 연속 회분식 반응조의 상측으로 유입되는 단계;
    상기 연속 회분식 반응조가 무산소 조건으로 운전된 후 폭기 조건으로 1회 이상 운전되는 단계;
    상기 연속 회분식 반응조가 다시 무산소 조건으로 운전되는 단계; 및
    처리된 슬러지의 침전 및 처리수 유출 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    막 생물 반응기를 이용한 처리 방법.
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