KR101414769B1 - 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법 - Google Patents

슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수고도처리공정, 슬러지 처리공정 및 미세조류 배양공정을 결합하여 슬처리 처리공정에 의해 발생되는 고농도의 질산성 질소를 포함하는 방류수를 미세조류 배양에 이용함과 함께 미생물의 복합발효에 의한 호기조건의 슬러지 처리공정를 통해 잉여슬러지의 배출을 최소화할 수 있는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치는 하수고도처리장치, 슬러지 처리장치 및 미세조류 배양장치를 포함하여 구성되며, 상기 슬러지 처리장치는, 호기 조건으로 운전되며, 슬러지를 발효시키는 제 1 호기조와, 상기 제 1 호기조에 대비하여 상대적으로 많은 공기량이 주입되는 상태로 호기 운전되며, 미생물의 복합발효의 활성을 증대시켜 슬러지를 분해하는 제 2 호기조와, 상기 제 2 호기조의 유출수를 공급받아 고농도의 유기물들을 호기성 미생물들의 작용을 통해 생물학적으로 제거함과 함께 분리막을 이용하여 총고형물을 제거하는 MBR조를 포함하여 구성되며, 상기 MBR조에 의해 농축슬러지와 방류수가 분리되며, 방류수는 상기 미세조류 배양장치로 공급되며, 농축슬러지는 상기 제 2 호기조로 반송되며, 상기 제 1 호기조, 제 2 호기조, MBR조의 순서대로 질산성 질소의 농도가 증가하는 것을 특징으로 한다.

Description

슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법{Apparatus and method for cultivating micro-algae with sludge treatment effluent}
본 발명은 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하수고도처리공정, 슬러지 처리공정 및 미세조류 배양공정을 결합하여 슬처리 처리공정에 의해 발생되는 고농도의 질산성 질소를 포함하는 방류수를 미세조류 배양에 이용함과 함께 미생물의 복합발효를 이용한 호기조건의 슬러지 처리공정를 통해 잉여슬러지의 배출을 최소화할 수 있는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 이산화탄소 배출에 따른 지구온난화현상을 완화하기 위해 이산화탄소 감축 문제와 관련하여 미세조류에 대한 관심이 증폭되고 있다. 미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소를 생물학적으로 고정하여 에너지원으로 사용하며, 미세조류의 성장결과로 얻어진 바이오매스는 동물의 사료, 바이오에너지의 원료 등으로 활용가치가 높다. 또한, 미세조류의 배양에 필요한 질소 및 인을 인위적으로 공급하지 않고 가축분뇨에 포함되어 있는 질소와 인을 이용하면 부영양화를 완화시킬 수 있다.
이에, 가축분뇨를 이용한 미세조류 배양액 개발(한국공개특허 제2003-76133호, 제2003-95154호)과 같이 하폐수를 배지로 이용하여 미세조류를 배양하고자 하는 시도들이 있다. 또한, 미세조류를 이용하여 하폐수를 처리하기 위한 기술들로서 유동성 접촉재 모듈과 조류 모듈을 이용한 수질정화 장치 및 이를 이용한 수질정화 방법(한국공개특허 제2006-100869호), 부착조류 시스템을 이용한 농촌유역 수질 개선방법(한국공개특허 제2005-0024728호)이 제시되었다.
상기의 기술들은 하폐수처리공정과 연계하여 미세조류를 배양하는 방법을 제시하고 있으나, 가축분뇨 또는 하폐수의 혐기성처리를 전제하고 있어 슬러지 감량에 한계가 있으며, 슬러지 처리를 위해 추가적인 장치가 요구되는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2003-76133호, 한국공개특허 제2003-95154호 한국공개특허 제2006-100869호 한국공개특허 제2005-0024728호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 하수고도처리공정, 슬러지 처리공정 및 미세조류 배양공정을 결합하여 슬처리 처리공정에 의해 발생되는 고농도의 질산성 질소를 포함하는 방류수를 미세조류 배양에 이용함과 함께 미생물의 복합발효를 이용한 호기조건의 슬러지 처리공정를 통해 잉여슬러지의 배출을 최소화할 수 있는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치는 하수고도처리장치, 슬러지 처리장치 및 미세조류 배양장치를 포함하여 구성되며, 상기 슬러지 처리장치는, 호기 조건으로 운전되며, 미생물의 복합발효를 이용하여 미생물의 활성을 저하시켜 슬러지를 발효시키는 제 1 호기조와, 상기 제 1 호기조에 대비하여 상대적으로 많은 공기량이 주입되는 상태로 호기 운전되며, 미생물의 복합발효 활성을 증대시켜 슬러지를 분해하는 제 2 호기조와, 상기 제 2 호기조의 유출수를 공급받아 고농도의 유기물들을 호기성 미생물들의 작용을 통해 생물학적으로 제거함과 함께 분리막을 이용하여 총고형물을 제거하는 MBR조를 포함하여 구성되며, 상기 MBR조에 의해 농축슬러지와 방류수가 분리되며, 방류수는 상기 미세조류 배양장치로 공급되며, 농축슬러지는 상기 제 2 호기조로 반송되며, 상기 제 1 호기조, 제 2 호기조, MBR조의 순서대로 질산성 질소의 농도가 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 미세조류 배양장치는 미세조류 배양조 및 미세조류 분리막으로 이루어지며, 상기 미세조류 배양조는 상기 슬러지 처리장치의 MBR조로부터 공급되는 방류수를 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양하는 역할을 하며, 상기 미세조류 분리막은 미세조류 배양조 내의 원수를 미세조류와 처리수로 분리한다.
상기 하수고도처리장치는, 유입수에 포함되어 있는 인(P)을 방출함과 함께 아질산성 질소, 질산성 질소를 탈질하는 역할을 하는 혐기조와, 호기 조건과 무산소 조건으로 교대 운전되며, 호기 조건 하에서는 유기성 질소 및 암모니아성 질소를 아질산성 및 질산성 질소로 전환함과 함께 유입수 내의 인이 인 저장 미생물을 통해 섭취되도록 하며, 무산소 조건 하에서는 아질산성 및 질산성 질소를 질소 가스로 환원시키는 역할을 하는 제 1 간헐폭기조와 제 2 간헐폭기조 및 상기 제 1 간헐폭기조, 제 2 간헐폭기조의 하부에 각각 구비되어 처리수를 생산하는 제 1 세라믹분리막, 제 2 세라믹분리막을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 간헐폭기조와 제 2 간헐폭기조는 서로 반대되는 조건으로 운전되며, 상기 혐기조로부터 배출되는 유입수는 상기 제 1 간헐폭기조와 제 2 간헐폭기조 중 호기 조건으로 운전되는 간헐폭기조로 공급되며, 상기 제 1 간헐폭기조가 호기 조건이고 제 2 간헐폭기조가 무산소 조건이면, 상기 제 1 세라믹분리막을 통해 상기 제 1 간헐폭기조 내에 공기가 주입되어 상기 제 1 간헐폭기조가 호기 상태를 이룸과 함께, 상기 제 2 세라믹분리막을 통해 처리수가 외부로 배출되며, 상기 제 2 간헐폭기조 내의 슬러지는 상기 슬러지 처리장치의 폭기조로 공급된다.
상기 제 1 세라믹분리막과 제 2 세라믹분리막 각각에는 공기주입라인과 처리수배출라인이 구비되며, 상기 공기주입라인은 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 공기를 주입하며, 상기 처리수배출라인은 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 의해 생산된 처리수를 외부로 배출한다.
상기 제 1 간헐폭기조 또는 제 2 간헐폭기조가 호기 조건이면, 상기 공기주입라인을 통해 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 공기가 주입됨과 함께 상기 처리수배출라인은 차단되며, 상기 제 1 간헐폭기조 또는 제 2 간헐폭기조가 무산소 조건이면, 상기 공기주입라인을 통한 공기주입은 차단됨과 함께 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 의해 생산된 처리수가 외부로 배출된다.
본 발명에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양방법은 하수고도처리장치에 의한 하수고도처리 과정을 진행되는 단계와, 상기 하수고도처리 과정에 의해 축적된 슬러지가 슬러지 처리장치의 제 1 호기조에 공급되며, 호기 조건 하에서 슬러지의 발효과정이 진행되는 단계와, 상기 폭기조 대비 상대적으로 많은 공기량을 주입하는 조건으로 제 2 호기조를 호기 운전하여, 미생물의 복합발효의 활성을 증가시켜 슬러지를 분해하는 단계와, MBR조를 이용하여 제 2 호기조의 유출수의 슬러지를 분해함과 함께 농축슬러지와 방류수로 분리하는 단계 및 MBR조의 방류수를 이용하여 미세조류를 배양하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 호기조, 제 2 호기조, MBR조의 순서대로 질산성 질소의 농도가 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치는 다음과 같은 효과가 있다.
고농도의 질산성 질소가 포함된 방류수를 이용하여 미세조류를 배양함에 따라, 미세조류 배양효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 호기성 소화를 통해 슬러지를 처리함으로써 슬러지 배출을 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 하수고도처리장치의 구성도.
도 3a 내지 도 3b는 제 1 호기조, 제 2 호기조 및 MBR조의 질산성 질소 농도를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따라 배양된 미세조류와 종래의 일반배치를 이용하여 배양한 미세조류의 양을 비교한 그래프.
본 발명은 하수고도처리공정, 슬러지 처리공정 및 미세조류 배양공정을 연계하여 슬러지 처리공정에서 발생되는 방류수를 이용하여 미세조류를 배양하는 기술을 제시한다. 슬러지 처리공정은 슬러지의 호기성 소화를 기반으로 하여 슬러지 배출량을 최소화하며 슬러지 처리공정의 방류수 내에 고농도의 질산성 질소가 포함되도록 하여 미세조류 배양효율을 향상시킴에 특징이 있다.
또한, 하수고도처리공정의 경우 제 1 간헐폭기조 및 제 2 간헐폭기조를 순차적으로 배치시키고, 제 1 간헐폭기조와 제 2 간헐폭기조 각각을 호기 조건, 무산소 조건으로 교대 운전하여, 유입수가 호기 조건 및 무산소 조건을 모두 거치도록 함으로써 질소와 인의 제거 효율을 극대화시킴을 특징으로 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치는 크게 하수고도처리장치(100), 슬러지 처리장치(200) 및 미세조류 배양장치로 구성된다. 상기 하수고도처리장치(100)는 하폐수에 포함되어 있는 질소, 인의 영양염류를 제거하여 최종적으로 하폐수를 처리수와 슬러지로 분리하는 장치이며, 상기 슬러지 처리장치(200)는 상기 하수고도처리장치(100)에 의해 분리된 슬러지를 공급받아 해당 슬러지를 미생물의 복합발효에 의해 호기성 소화시켜 슬러지를 저감시킴과 함께 고농도의 질산성 질소가 포함된 방류수를 배출하는 장치이다. 상기 미세조류 배양장치(300)는 상기 슬러지 처리장치(200)로부터 배출되는 고농도의 질산성 질소가 포함된 방류수를 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양함과 함께 성장된 미세조류를 분리하는 역할을 한다.
먼저, 상기 슬러지 처리장치(200)의 구성에 대해 설명하기로 한다. 상기 슬러지 처리장치(200)는 제 1 호기조(210), 제 2 호기조(220) 및 MBR조(membrane bio-reactor)(230)를 포함하여 구성된다. 상기 제 1 호기조(210) 및 제 2 호기조(220)는 미생물의 복합발효에 의해 슬러지를 호기성 소화시켜 유기물을 분해함으로써 미생물의 활성을 저하시켜 궁극적으로 슬러지를 분해, 저감시킴과 함께 슬러지 내 질산성 질소의 농도를 증가시키는 역할을 한다. 상기 제 1 호기조에는 미생물 증식액이 공급되며, 상기 미생물 증식액에는 다양한 미생물이 포함되는데 대표적으로 Lactobacillus , Acetobacter , Acinetobacter 등의 미생물이 포함된다.
상기 제 1 호기조(210) 및 제 2 호기조(220)는 모두 호기 조건으로 운전되나, 상기 제 2 호기조(220)는 제 1 호기조(210)에 대비하여 상대적으로 많은 공기량이 공급되며 이에 따라 상기 제 1 호기조(210) 대비 제 2 호기조(220)의 용존산소량이 상대적으로 많게 되며, 상기 제 1 호기조(210)의 경우 슬러지 내의 미생물의 활성이 저하되며, 상기 제 2 호기조(220)의 경우 미생물의 복합발효의 활성이 증가함으로 인해 유기물의 분해 즉, 슬러지의 분해가 가속화된다. 제 1 호기조(210)의 미생물 활성 저하 및 제 2 호기조(220)의 슬러지 분해 동작을 위해 상기 제 2 호기조(220)에 공급되는 공기량은 상기 제 1 호기조(210)의 공기량 공급량 대비 1.5∼2배 정도로 설정해야 한다.
달리 설명하여, 상기 제 1 호기조(210)는 발효조의 역할을 하고, 상기 제 2 호기조(220)는 액화조의 역할을 수행한다. 제 1 호기조(210)의 경우 슬러지 내의 미생물 활성이 저하됨에 따라 호기성 소화에 의한 발효과정이 진행되며, 제 2 호기조(220)의 경우 용존산소량의 증가에 의해 미생물의 복합발효 활성이 증가되어 유기물 즉, 슬러지의 분해가 진행되고 슬러지의 분해에 따라 슬러지의 액화가 이루어진다.
상기 과정에 있어서, 상기 제 1 호기조(210)의 상등수가 상기 제 2 호기조(220)에 공급되며, 상기 제 1 호기조(210) 및 제 2 호기조(220)는 각각 칸막이를 통해 3개의 영역으로 분할된 상태로 운전될 수 있으며, 이 경우 발효 및 슬러지 분해 효율을 증가시킬 수 있다. 이 때, 각 영역의 상등수가 이웃 영역으로 이동된다.
한편, 유기물 즉, 슬러지가 분해되면 유기물 내의 무기물이 용출되는데, 상기 제 2 호기조(220)에 의한 유기물 분해는 실험결과에 의해 뒷받침된다. 아래의 표 1을 참고하면, 제 2 호기조(220)의 유출수에 포함되어 있는 무기물의 양이 제 1 호기조(210)의 유출수에 대비하여 증가됨을 알 수 있으며, 이는 제 2 호기조(220)에 의한 슬러지 분해가 가속화됨을 증명한다. 또한, 후술하는 MBR조(230)에 의한 슬러지 분해는 제 2 호기조(220)보다 증가함을 알 수 있다.
제 1 호기조(210), 제 2 호기조(220) 및 제 MBR조(230) 유출수의 무기물 분석
제1호기조
(mg/L) 		제2호기조
(mg/L) 		MBR조(230)
(mg/L)
Na 33.06 38.84 55.28
Mg 7.02 17.62 23.24
Al 0.08 3.87 4.13
Si 8.73 11.29 24.61
P 11.91 7.62 5.25
S 4.94 11.62 15.51
Cl 0 0.45 0.68
K 18.53 48.81 66.53
Ca 22.15 54.15 69.22
Mn 0.16 1.83 2.33
Fe 0.09 0.10 0.14
Ni 0 0.01 0.03
Cu 0.02 0.04 0.07
Zn 0.24 7.28 10.17
Rb 0.03 0.19 0.23
Sr 0.18 0.45 0.60
Zr 0.02 0.10 0.11
Ba 1.93 6.29 6.84
이와 함께, 슬러지 분해 속도 증가는 질산성 질소의 농도와도 밀접한 관계가 있다. 슬러지가 분해되면 암모니아성 질소의 농도가 증가되며 질산화 미생물은 산소를 이용하여 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환시킨다. 따라서, 슬러지 분해 속도가 증가되면 질산성 질소의 농도 역시 증가되며, 제 1 호기조(210), 제 2 호기조(220), MBR조(230) 순서로 질산성 질소의 농도가 증가한다.
한편, 상기 MBR조(230)는 상기 제 2 호기조(220)의 유출수를 공급받아 고농도의 유기물들을 호기성 미생물들의 작용을 통해 생물학적으로 제거함과 함께 분리막을 이용하여 총고형물(SS)을 제거하는 역할을 한다. 상기 분리막에 의해 농축슬러지와 방류수로 분리되며, 농축슬러지는 상기 제 2 호기조(220)로 반송되며 방류수는 미세조류 배양장치(300)의 배양액으로 공급된다.
전술한 바와 같이, MBR조(230)에서 슬러지 분해 속도가 최고조를 이룸에 따라 질산성 질소의 농도 역시 정점을 이루며, 이에 따라 상기 MBR조(230)에서 배출되는 방류수에는 고농도의 질산성 질소가 포함된다. 방류수 내에 포함되어 있는 고농도의 질산성 질소는 미세조류 배양효율을 향상시킨다. 한편, 상기 분리막에 의해 분리된 농축슬러지는 제 2 호기조(220)로 반송되어, 제 2 호기조(220)에 의한 슬러지 분해 과정이 재적용된다.
상기 제 1 호기조(210), 제 2 호기조(220) 및 MBR조(230)의 구성을 통해, 슬러지 감량화 과정이 진행되며, 각 반응조를 거치면서 질산성 질소의 농도가 증가되어 최종적으로 고농도의 질산성 질소가 포함된 방류수를 배출할 수 있게 된다.
다음으로, 미세조류 배양장치(300)에 대해 설명하기로 한다. 상기 미세조류 배양장치(300)는 미세조류 배양조(310) 및 미세조류 분리막(320)으로 이루어진다. 상기 미세조류 배양조(310)는 상기 슬러지 처리장치(200)의 MBR조(230)로부터 공급되는 방류수 즉, 고농도의 질산성 질소가 포함된 방류수를 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양하는 역할을 하며, 상기 미세조류 분리막(320)은 미세조류 배양조 내의 원수를 미세조류와 처리수로 분리하는 역할을 한다.
상기 미세조류 배양조(310)에 있어서, 미세조류 배양에 필요한 이산화탄소(CO2)를 공급함과 함께 미세조류 분리막(320)의 막오염을 방지하는 역할을 수행하는 산기장치가 더 구비될 수 있으며, 상기 미세조류 배양조의 상부에는 미세조류 배양에 필요한 광에너지를 공급하기 위한 광원이 배치될 수 있다.
이상, 슬러지 처리장치(200) 및 미세조류 배양장치(300)의 구성 및 동작에 대해 설명하였다. 다음으로, 상기 슬러지 처리장치(200)에 슬러지를 공급하는 하수고도처리장치(100)에 대해 설명하기로 한다.
상기 하수고도처리장치(100)로 지금까지 제시된 모든 고도처리장치의 적용이 가능하다. 즉, 하폐수를 처리하고 슬러지를 배출하는 기능을 수행하는 모든 하수고도처리장치(100)의 적용이 가능하다. 일 예로, 혐기조, 교대 운전되는 간헐폭기 제1조 및 제2조, 침전조로 하수고도처리장치(100)를 구성하여 상등액의 처리 및 슬러지 배출이 가능하도록 할 수 있다. 본 발명에서는 상등액의 처리 및 슬러지 배출이 가능함과 함께 생물학적 처리효율 및 운전효율이 우수한 하수고도처리장치(100)의 일 실시예를 제시한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하수고도처리장치(100)는 혐기조(110), 제 1 간헐폭기조(120) 및 제 2 간헐폭기조(130)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 제 1 간헐폭기조(120)에는 제 1 세라믹분리막(121)이 구비되고, 상기 제 2 간헐폭기조(130) 내에는 제 2 세라믹분리막(131)이 구비된다.
상기 혐기조(110)는 유입수에 포함되어 있는 인(P)을 방출함과 함께 아질산성 질소, 질산성 질소를 탈질하는 역할을 한다. 상기 혐기조(110)에 유입되는 유입수는 외부로부터 유입되는 하폐수, 상기 제 2 간헐폭기조(130)로부터 반송되는 반송슬러지 및 상기 슬러지 처리장치(200)의 침전조(240)로부터 공급되는 상등액을 포함한다. 상기 혐기조(110) 내에는 교반기가 구비되며, 교반만으로 용존산소농도와 산화-환원전위차를 조절하여 혐기성 조건을 달성할 수 있다. 이 때, 상기 혐기조(110)의 운전은 1∼2시간 정도 진행되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 간헐폭기조(120)와 제 2 간헐폭기조(130)는 각각 호기 조건, 무산소 조건으로 교대 운전되며, 호기 조건 하에서는 유기성 질소 및 암모니아성 질소를 아질산성 및 질산성 질소로 전환함과 함께 유입수 내의 인이 인 저장 미생물을 통해 섭취되도록 하며, 무산소 조건 하에서는 아질산성 및 질산성 질소를 질소 가스로 환원시키는 역할을 한다. 상기 제 2 간헐폭기조(130)의 동작에 생성되는 슬러지는 일부는 상기 혐기조(110)로 내부반송되며, 나머지 슬러지는 상기 슬러지 처리장치(200)의 폭기조로 공급된다.
상기 제 1 간헐폭기조(120)와 제 2 간헐폭기조(130)는 서로 반대되는 상태로 운전된다. 즉, 제 1 간헐폭기조(120)가 호기 조건으로 운전되면 제 2 간헐폭기조(130)는 무산소 조건으로 운전되며 반대로 제 1 간헐폭기조(120)가 무산소 조건이면 제 2 간헐폭기조(130)는 호기 조건으로 운전된다.
상기 제 1 간헐폭기조(120)와 제 2 간헐폭기조(130)는 혐기조(110)로부터 배출되는 유입수를 공급받아 상술한 바와 같은 기능을 발휘하는데, 상기 제 1 간헐폭기조(120)와 제 2 간헐폭기조(130)의 운전 상태에 따라 혐기조(110)의 유입수가 공급되는 경로가 달라진다.
구체적으로, 혐기조(110)의 유입수는 호기 조건으로 운전되는 간헐폭기조로만 공급된다. 예를 들어, 제 1 간헐폭기조(120)가 호기, 제 2 간헐폭기조(130)가 무산소 조건이면 혐기조(110)의 유입수는 제 1 간헐폭기조(120)로 공급되며 제 1 간헐폭기조(120) 내에서 일정 시간 체류 후 제 2 간헐폭기조(130)로 공급된다(도 1의 ⓐ 참조). 또한, 제 1 간헐폭기조(120)가 무산소, 제 2 간헐폭기조(130)가 호기 조건이면 혐기조(110)의 유입수는 제 2 간헐폭기조(130)로 공급되며 제 2 간헐폭기조(130) 내에서 일정 시간 체류 후 제 1 간헐폭기조(120)로 공급된다(도 1의 ⓑ 참조). 즉, 제 1 간헐폭기조(120)가 호기 조건이면 혐기조(110)-제 1 간헐폭기조(120)-제 2 간헐폭기조(130)의 순서로 유입수가 이동되며, 제 2 간헐폭기조(130)가 호기 조건이면 혐기조(110)-제 2 간헐폭기조(130)-제 1 간헐폭기조(120)의 순서로 유입수가 이동된다.
2개의 간헐폭기조를 적용하는 종래의 기술은 운전 상태(호기 또는 무산소)에 무관하게 유입수를 처리, 배출하는 방식임에 따라, 간헐폭기조가 무산소 조건일 때도 유입수가 공급되는 경우가 발생되며 이 경우 유입수에 대한 호기 조건 처리가 미흡하게 진행될 수밖에 없다.
본 발명의 경우, 호기 조건 하의 간헐폭기조에만 혐기조(110)의 유입수가 공급되도록 하고, 일정 시간 호기 조건 하에서 처리된 후 무산소 조건의 간헐폭기조로 이동되도록 함으로써, 혐기조(110)에서 유입되는 유입수가 호기 조건과 무산소 조건을 모두 거치게 되어 인의 과잉섭취, 질산화 및 탈질산화 과정이 균일하게 진행될 수 있다.
혐기조(110)의 유입수가 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조로 이동되어 체류하는 과정, 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조에서 제 2(또는 제 1) 간헐폭기조로 유입수가 이동되어 체류하는 과정은, 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조가 호기 조건(또는 무산소 조건)으로 진행되는 시간에서 모두 이루어지는 것이 바람직하며, 유입수의 제 1 간헐폭기조(120) 또는 제 2 간헐폭기조(130) 내에서의 체류 시간은 유입수의 성상에 따라 선택적으로 조절할 수 있다. 일 실시예로, 상기 호기 조건의 운전과 무산소 조건의 운전은 각각 30분∼1시간 정도 진행할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 제 1 간헐폭기조(120), 제 2 간헐폭기조(130)의 하부에는 각각 침지식 형태의 제 1 세라믹분리막(121), 제 2 세라믹분리막(131)이 구비된다. 제 1 세라믹분리막(121)과 제 2 세라믹분리막(131)은 각각 유입수를 여과하여 처리수를 생산하는 역할을 수행하는데, 상기 제 1 간헐폭기조(120)와 제 2 간헐폭기조(130)의 운전 상태에 따라 상기 제 1 세라믹분리막(121), 제 2 세라믹분리막(131) 역시 그 기능을 달리한다.
즉, 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조가 무산소 조건일 경우에는 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막은 처리수를 배출하며, 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조가 호기 조건일 경우에는 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막은 처리수 배출을 중단하고 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막에 의한 폭기가 진행된다.
이를 위해, 제 1 세라믹분리막(121)과 제 2 세라믹분리막(131) 각각에는 공기주입라인(141)과 처리수배출라인(142)이 구비된다. 상기 공기주입라인(141)은 상기 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막에 공기를 주입하여 궁극적으로 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조를 호기 조건으로 만드는 역할을 하며, 상기 처리수배출라인(142)은 상기 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막에 의해 생산된 처리수를 외부로 배출하는 역할을 한다.
이에 따라, 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조가 호기 조건이면 상기 공기주입라인(141)을 통해 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막에 공기가 주입되어 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조가 호기 상태를 이루며, 이 경우 처리수배출라인(142)은 잠궈진 상태를 유지한다. 반대로, 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조가 무산소 조건이면 상기 공기주입라인(141)에 의한 공기 주입은 차단되어 제 1(또는 제 2) 간헐폭기조가 무산소 상태를 이루며, 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막에 의해 생산된 처리수가 처리수배출라인(142)을 통해 외부로 배출된다. 이와 같은 구성 하에서, 제 1 세라믹분리막(121)과 제 2 세라믹분리막(131) 중 어느 하나는 처리수를 배출함에 따라 24시간 연속적인 처리수 생산이 가능하게 된다. 처리수 배출과 별개로, 상기 제 2 간헐폭기조 내의 슬러지는 상기 슬러지 처리장치(200)의 폭기조로 공급되며, 일부의 슬러지는 혐기조로 내부반송된다.
한편, 상기 제 1 세라믹분리막(121)과 제 2 세라믹분리막(131)은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2) 등의 세라믹 재질로 구성되고 0.01∼0.1㎛ 크기의 기공들이 형성되어 있어, 상기 공기주입라인(141)에 의해 고압공기가 상기 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막으로 공급되면 세라믹분리막에 형성된 기공이 일종의 산기관 역할을 하여 공기가 간헐폭기조로 공급된다. 따라서, 공기주입을 위한 별도의 산기관이 요구되지 않는다. 또한, 상기 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막에 고압의 공기가 주입됨에 따라 폭기 효과 이외에 제 1(또는 제 2) 세라믹분리막을 세정하는 효과를 함께 얻을 수 있다. 종래의 경우, 분리막 세정을 위해 역세수(처리수)를 이용함에 따라 처리수 생산효율이 저하되는데 본 발명은 이와 같은 문제를 해결할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치에 의한 미세조류 배양특성을 살펴보기로 한다. 아래의 표 2는 본 발명의 슬러지 처리장치의 방류수를 분석한 것이고, 아래의 표 3은 본 발명에 따라 배양된 미세조류와 종래의 일반배지를 이용하여 배양한 미세조류의 오염정도를 나타낸 것이다. 또한, 도 4는 본 발명에 따라 배양된 미세조류와 종래의 일반배치를 이용하여 배양한 미세조류의 양을 비교한 그래프이다.
표 2를 참고하면, 본 발명의 슬러지 처리장치에서 방류되는 방류수에 유기물이 55mg/L(BOD 기준), 질소가 157mg/L, 인이 3mg/L 포함됨을 알 수 있으며, 이는 미세조류가 종속영양 방식으로 증식함에 충분하다. 또한, 표 3을 참고하면, 본 발명에 따라 미세조류를 배양한 경우 종래의 일반배지 방식에 대비하여 약 1.5배 많은 미세조류가 성장하였음을 알 수 있으며, 타균에 의한 오염정도는 일반배지에서 더 많은 오염이 있음을 확인할 수 있다. 한편, 도 4를 참조하면 본 발명의 미세조류 배양장치를 적용한 경우(도 4의 'Sludge Treatment' 종래의 일반배지 방식(도 4의 'BBM'에 비교하여 미세조류 성장이 우수함을 알 수 있다.
슬러지 처리장치 방류수의 특성
항목(mg/L) 슬러지 처리 방류수
BOD 55
COD 71
TN 157
TP 3
본 발명과 종래 기술에 따른 미세조류 배양의 특성 비교
종래 일반배지 본 발명 방식
Dry Weight (g/L) 1.24 1.83
Number of Cells (ㅧ10 5 /ml) 3.58 5.26
Contamination (CFU/ml) 64ㅧ104 25ㅧ105
100 : 하수고도처리장치
110 : 혐기조 120 : 제 1 간헐폭기조
121 : 제 1 세라믹분리막 130 : 제 2 간헐폭기조
131 : 제 2 세라믹분리막 141 : 공기주입라인
142 : 처리수배출라인
200 : 슬러지 처리장치
210 : 제 1 호기조 220 : 제 2 호기조
230 : MBR조
300 : 미세조류 배양장치
310 : 미세조류 배양조 320 : 미세조류 분리막

Claims (6)

  1. 하수고도처리장치, 슬러지 처리장치 및 미세조류 배양장치를 포함하여 구성되며,
    상기 슬러지 처리장치는,
    호기 조건으로 운전되며, 미생물의 활성을 저하시켜 슬러지를 발효시키는 제 1 호기조와,
    상기 제 1 호기조에 대비하여 상대적으로 많은 공기량이 주입되는 상태로 호기 운전되며, 미생물의 복합발효의 활성을 증대시켜 슬러지를 분해하는 제 2 호기조와,
    상기 제 2 호기조의 유출수를 공급받아 고농도의 유기물들을 호기성 미생물들의 작용을 통해 생물학적으로 제거함과 함께 분리막을 이용하여 총고형물을 제거하는 MBR조를 포함하여 구성되며,
    상기 MBR조에 의해 농축슬러지와 방류수가 분리되며, 방류수는 상기 미세조류 배양장치로 공급되며, 농축슬러지는 상기 제 2 호기조로 반송되며,
    상기 제 1 호기조, 제 2 호기조, MBR조의 순서대로 질산성 질소의 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 미세조류 배양장치는 미세조류 배양조 및 미세조류 분리막으로 이루어지며,
    상기 미세조류 배양조는 상기 슬러지 처리장치의 MBR조로부터 공급되는 방류수를 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양하는 역할을 하며, 상기 미세조류 분리막은 미세조류 배양조 내의 원수를 미세조류와 처리수로 분리하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하수고도처리장치는,
    유입수에 포함되어 있는 인(P)을 방출함과 함께 아질산성 질소, 질산성 질소를 탈질하는 역할을 하는 혐기조와,
    호기 조건과 무산소 조건으로 교대 운전되며, 호기 조건 하에서는 유기성 질소 및 암모니아성 질소를 아질산성 및 질산성 질소로 전환함과 함께 유입수 내의 인이 인 저장 미생물을 통해 섭취되도록 하며, 무산소 조건 하에서는 아질산성 및 질산성 질소를 질소 가스로 환원시키는 역할을 하는 제 1 간헐폭기조와 제 2 간헐폭기조 및
    상기 제 1 간헐폭기조, 제 2 간헐폭기조의 하부에 각각 구비되어 처리수를 생산하는 제 1 세라믹분리막, 제 2 세라믹분리막을 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 간헐폭기조와 제 2 간헐폭기조는 서로 반대되는 조건으로 운전되며, 상기 혐기조로부터 배출되는 유입수는 상기 제 1 간헐폭기조와 제 2 간헐폭기조 중 호기 조건으로 운전되는 간헐폭기조로 공급되며,
    상기 제 1 간헐폭기조가 호기 조건이고 제 2 간헐폭기조가 무산소 조건이면, 상기 제 1 세라믹분리막을 통해 상기 제 1 간헐폭기조 내에 공기가 주입되어 상기 제 1 간헐폭기조가 호기 상태를 이룸과 함께, 상기 제 2 세라믹분리막을 통해 처리수가 외부로 배출되며,
    상기 제 2 간헐폭기조 내의 슬러지는 상기 슬러지 처리장치의 제 1 호기조로 공급되는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 세라믹분리막과 제 2 세라믹분리막 각각에는 공기주입라인과 처리수배출라인이 구비되며,
    상기 공기주입라인은 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 공기를 주입하며, 상기 처리수배출라인은 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 의해 생산된 처리수를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 간헐폭기조 또는 제 2 간헐폭기조가 호기 조건이면, 상기 공기주입라인을 통해 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 공기가 주입됨과 함께 상기 처리수배출라인은 차단되며,
    상기 제 1 간헐폭기조 또는 제 2 간헐폭기조가 무산소 조건이면, 상기 공기주입라인을 통한 공기주입은 차단됨과 함께 상기 제 1 세라믹분리막 또는 제 2 세라믹분리막에 의해 생산된 처리수가 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치.
  6. 하수고도처리장치에 의한 하수고도처리 과정을 진행되는 단계;
    상기 하수고도처리 과정에 의해 축적된 슬러지가 슬러지 처리장치의 제 1 호기조에 공급되며, 호기 조건 하에서 슬러지의 발효과정이 진행되는 단계;
    상기 제 1 호기조 대비 상대적으로 많은 공기량을 주입하는 조건으로 제 2 호기조를 호기 운전하여, 슬러지 내 미생물의 활성을 증가시켜 슬러지를 분해하는 단계;
    MBR조를 이용하여 제 2 호기조의 유출수의 슬러지를 분해함과 함께 농축슬러지와 방류수로 분리하는 단계; 및
    MBR조의 방류수를 이용하여 미세조류를 배양하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 호기조, 제 2 호기조, MBR조의 순서대로 질산성 질소의 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양방법.
KR20120136033A 2012-11-28 2012-11-28 슬러지 처리 방류수를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법 KR101414769B1 (ko)

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