KR101421800B1

KR101421800B1 - 체여과-분리막생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템

Info

Publication number: KR101421800B1
Application number: KR1020120093151A
Authority: KR
Inventors: 연경민; 김용근; 민수홍; 박성준
Original assignee: 삼성물산 주식회사
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-07-22
Also published as: KR20140026138A

Abstract

본 발명은 운영 전력을 절감하고 메탄 생산에 따른 에너지 생산을 증가시킬 수 있는 체여과-분리막생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 미생물 증식과 유기물 흡착을 수행하는 체여과 분리막 반응조와; 체여과 분리막 반응조에서 여과된 처리수에 포함된 유기물을 분해하고 생물학적 여과를 수행하는 분리막 생물반응조와; 체여과 분리막 반응조와 분리막 생물반응조로부터 유출된 처리수를 혼합시키는 혼합조와; 혼합조와 체여과 분리막 반응조의 사이에 연결되어 미생물을 증식하여 유기물 안정화시키는 호기성 안정화조와; 혼합조로부터 유출된 슬러지를 농축시키고 처리수를 혐기성 소화조와 호기성 안정화조로 분배시키는 슬러지 농축조와; 호기성 안정화조와 병렬로 연결되어 슬러지 농축조로부터 유출된 슬러지와 유기물을 제거하고 인과 메탄 가스를 발생시키는 혐기성 소화조와; 체여과 분리막 반응조의 전단에 설치되고 호기성 안정화조와 혐기성 소화조의 처리수가 합류하여 공급되며 미생물을 증식시키는 무산소조와; 혐기성 소화조 내의 처리수 일부를 체여과 분리막 반응조로 반송시키는 반송라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

체여과-분리막생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템{Compact Energy-saving wastewater treatment system hybridizing sieving-membrane bioreactor and highly thickened sludge anaerobic digester by biosorption}

본 발명은 오폐수 처리시스템에 관한 것으로, 특히 운영 전력을 절감하고 메탄 생산에 따른 에너지 생산을 증가시킬 수 있는 체여과-분리막생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템에 관한 것이다.

최근 침전조를 줄이고 고형물을 효과적으로 분리하여 유출수의 수질을 향상시키는 분리막 생물반응기(MBR, Membrane Bio-Reactor) 기술이 각광을 받고 있다.

MBR은 하나 이상의 분리막을 갖는 고·액 분리장치로서 활성슬리지 시스템의 2차 침전지를 분리막 장치로 대체한 시스템이며 고도 폐수처리 기술로서 그 활용이 점차로 확대되고 있다. 분리막에 의한 활성슬러지 플럭을 완전히 분리해냄으로써 미생물의 침강성에 관계없이 안정적인 수질을 확보할 수 있고, 슬러지 체류시간(SRT; sludge retention time)과 수리학적 체류시간(HRT; Hydraulic retention time)의 완전 분리가 가능하여 운전의 유연성이 증가하며, 높은 미생물 농도 유지가 가능해 부지 면적이 감소하는 장점을 갖는다.

그러나 분리막 운전시 필연적으로 발생하는 막오염(membrane fouling)으로 인한 주기적인 분리막의 세척 및 교체 등의 문제로 운전비용이 증가하는 문제를 안고 있다.

한편, 체여과-분리막생반응조(SiMBR, Sieve-Membrane Bio-Reactor)는 분리막생물반응조에서의 슬러지농도를 감소함으로써 분리막의 폐색(fouling) 현상을 개선하는 특징을 가지고 있으며 분리막 생물반응조의 장점인 활성슬러지 공정의 침전조 부지를 절감하는 장점과 더불어 처리량을 최대 100%증가할 수 있는 장점이 있다. 또한 분리막 생물반응조에서 배출되는 1% 가량의 고농도 슬러지는 7% 내외의 고농축 슬러지로 농축하는 경우 기존 혐기소화조 용량에 비하여 50%가량 감소할 수 있으며 이는 겨울철 가온에너지를 획기적으로 절감하는 장점이 있다

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 공개특허 공개번호 제10-2012-0005857호가 있다. 이는 원수가 유입되며, 가스발생과 원수의 상하 순환을 통하여 교반이 진행되는 가수분해조와; 상기 가수분해조에서 처리된 처리수 및 가스의 교반에 의하여 부유물질이 밀도순서로 상향으로 이동되고, 상기 원수와 혐기성 박테리아의 접촉 빈도를 증가시켜 유기물이 가스로 전환되는 효율을 증가시킴으로서 오염물을 분해하는 혐기성 소화조와; 상기 혐기성 소화조에서 공급된 처리수가 유입되며, 상기 처리수중에 함유된 부유물질이 중력에 의하여 침전되며, 침전된 미생물이 상기 소화조로 반송되는 침전조와; 상기 침전조로부터 배출된 처리수가 여과됨으로써 혐기성 미생물이 농축되고, 농축된 혐기성 미생물이 상기 혐기성 소화조로 반송되는 제 1여과부와; 상기 제 1여과부로부터 배출된 처리수중에 함유된 질소를 물리적으로 제거하는 탈기부와; 그리고 상기 탈기부로 부터 공급된 처리수중에 함유된 질소와 인을 제거하는 무산소/호기조를 포함함으로써, 혐기성 소화와, 여과와, 탈기와, 질소 및 인의 제거공정을 연속적으로 진행함으로써 바이오가스 생산 및 원수의 고도처리가 가능한 수처리 장치를 제안한다.

그러나 상기 배경기술은 단시간에 유기물을 다량 흡착할 수 있는 방법이 없으며, 기존 MBR 공정 수준의 처리효율을 유지하면서도 부지 및 에너지 절감을 달성할 수 있는 SiMBR과 같은 시스템이 적용되어 있지 않고, 혐기성 소화조의 슬러지 반송이 없어 고형물 체류시간 감소로 인한 잉여슬러지 발생 감소를 기대하기 어렵다.

한국 등록특허 등록번호 제10-0413839호 한국 등록특허 등록번호 제10-0239917호

본 발명은 운영 전력을 절감하고 메탄 생산에 따른 에너지 생산을 증가시킬 수 있는 체여과-분리막생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면,

미생물 증식과 유기물 흡착을 수행하는 체여과 분리막 반응조와;

체여과 분리막 반응조에서 여과된 처리수에 포함된 유기물을 분해하고 생물학적 여과를 수행하는 분리막 생물반응조와;

체여과 분리막 반응조와 분리막 생물반응조로부터 유출된 처리수를 혼합시키는 혼합조와;

혼합조와 체여과 분리막 반응조의 사이에 연결되어 미생물을 증식하여 유기물 안정화시키는 호기성 안정화조와;
혼합조로부터 유출된 슬러지를 농축시키고 처리수를 혐기성 소화조와 호기성 안정화조로 분배시키는 슬러지 농축조와;

호기성 안정화조와 병렬로 연결되어 슬러지 농축조로부터 유출된 슬러지와 유기물을 제거하고 인과 메탄 가스를 발생시키는 혐기성 소화조와;
체여과 분리막 반응조의 전단에 설치되고 호기성 안정화조와 혐기성 소화조의 처리수가 합류하여 공급되며 미생물을 증식시키는 무산소조와;

혐기성 소화조 내의 처리수 일부를 체여과 분리막 반응조로 반송시키는 반송라인;을 포함한 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 혼합조로부터 슬러지 농축조로 전달되는 슬러지 농도를 1% 이상으로 유지하도록 함이 바람직하다.

본 발명은 체여과 분리막 반응조, 분리막 생물반응조로 생흡착을 이루고, 혐기성 소화조의 반송법을 채택하여 호기성 안정화조의 운영전력을 절감하고, 동시에 슬러지농축에 의한 메탄생성량 증가에 따른 에너지 생산전력이 증가한다.

따라서 신규, 확장 및 개선이 필요한 하수처리시설, 폐수처리시설, 음식폐수처리시설, 가축분뇨처리시설 등과 같이 유기성 물질이 포함된 수처리 분야에 확장 적용 가능하다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유기물 처리용 하수처리 시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 유기물, 질소 및 인의 처리용 하수처리 시스템의 구성도이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명은 유입수질의 다양성에 대응하기 위해 라인 변화 및 반응조 추가를 통해 다양한 실시 예를 제시한다.

<제1 실시 예>

제1 실시 예는 유기물 처리용 하수처리 시스템을 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 미생물 증식과 유기물 흡착을 수행하는 체여과 분리막 반응조(SiBR)(12)가 구비된다. 체여과방식 반응조(12)는 유입된 처리수의 슬러지 농도를 감소시키기 위한 여과체(Sieve)(12a)를 두고 있다. 여과체(12a)는 체의 크기를 150~2000mesh 범위내에서 구성될 수 있다. 10%정도의 슬러지 투과율을 유지하면 유지운영에 적절한 것으로 나타났으며, 이때 체의 크기는 150mesh 였다. 여과체(12a)는 예로 스테인레스 계열의 금속, 폴리에스테르(polyester)와 같은 고분자 수지 등으로 제작된 것이 될 수 있으며, 그 재질 및 구조는 특별히 한정되지 아니한다.

체여과 분리막 반응조(SiBR)(12)는 유기물과 질소화화물 등의 오염물질에 미생물을 증식시키고, 인 흡수, 유기물 흡착 및 질소산화물을 분해 처리한다.

체여과 분리막 반응조(12)에는 분리막 생물반응조(MBR)(14)가 연결되어 있다. 분리막 생물반응조(MBR)(14)는 체여과 분리막 반응조(SiBR)에서 여과된 처리수에 포함된 유기물을 분해하고 생물학적 여과를 수행한다. 이때 분리막 생물반응조(14)는 전단에 체여과방식 반응조(12)가 설치되어 있어 유입되는 슬러지의 농도가 낮아져 분리막의 교체를 줄이고 폐색을 방지할 수 있다.

체여과 분리막 반응조(12)와 분리막 생물반응조(14)에는 혼합조(16)가 연결되어 있다. 혼합조(16)는 체여과 분리막 반응조(12)와 분리막 생물반응조(14)내에 저장되어 있는 처리수를 유입시켜 혼합시킨다.

혼합조(16)와 체여과 분리막 반응조(12)의 사이에 호기성 안정화조(18)가 연결되어 있다. 호기성 안정화조(18)는 미생물을 증식하여 유기물을 안정화시키고 질소산화물을 분해한다.

호기성 안정화조(18)에 병렬로 연결된 혐기성 소화조(20)가 설치되어 있다. 혐기성 소화조(20)는 슬러지와 유기물을 제거하고 인과 메탄 가스를 발생시킨다. 즉, 혐기성 소화조(20)는 밀폐된 탱크에 슬러지를 투입하면 미생물의 작용으로 슬러지 속의 유기물을 비교적 안정된 유기물 또는 불활성 무기물로 분해시킨다. 혐기성 소화조(20)에서는 산발효과 메탄 발효가 일어난다. 소화에 관여하는 미생물은, 통성 혐기성 세균군[기질분해균, 산생성균(Acid Former)]과 편성(절대) 혐기성 세균군[메탄균]등 2종류의 세균군으로 대별할수 있다.

슬러지중의 유기물질은, 대부분 탄수화물, 단백질, 지방의 3영양소로 이루어져 있으며, 이들 유기물질의 소화과정은 상기 2종류의 세균에 의하여 2단계의 소화과정을 거친다. 제 1단계에서는 탄수화물, 지방, 단백질, 섬유질 등의 고분자 유기물이 통성 혐기성균에 의해서 저분자화되면서 저급 지방산인 유기산, 알콜, 이산화탄소, 수소등을 생성한다. 제2단계에서는 제1단계에서 생성한 유기물질이 편성혐기성세균의 작용으로, 더욱 분해되어, 메탄, 이산화탄소, 암모니아, 황화수소, 물 등의 최종생성물까지 분해된다.

혼합조(16)와 혐기성 소화조(20)의 사이에 슬러지 농축조(22)가 설치된다. 슬러지 농축조(22)는 슬러지의 함유율 및 부피를 감소시켜 슬러지 처리 비용을 절감시킨다. 슬러지 농축조(22)는 최대 7%의 슬러지를 생성하며, 일정량의 슬러지를 폐기시킨다. 슬러지 농축조(22)는 원심 농축, 부상식 농축, 벨트 농축 방식이 될 수 있다.

슬러지 농축조(22)에서 처리된 처리수는 혐기성 소화조(20)와 호기성 안정화조(18)로 분배된다.

<제2 실시 예>

본 발명에 따른 제2 실시예는 제1 실시 예에서 무산소조(24)와 반송라인(26)을 추가한 것으로, 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 유기물, 질소 및 인의 처리용 하수처리 시스템의 구성을 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 무산소조(24)는 체여과 분리막 반응조(12)의 전단에 설치된다. 무산소조(24)는 탈질미생물과 유기물을 이용해 질산성 질소(유기성질소, 암모니아성질소, 아질산성질소, 질산성질소)를 질소가스로 전환시킨다.

이때 호기성 안정화조(18)와 혐기성 소화조(20)의 처리수를 합류하여 무산소조(24)로 공급되도록 함이 바람직하다. 반송라인(26)은 그의 일단이 혐기성 소화조(20)의 출구측에 연결되고 그의 타단이 체여과 분리막 반응기(12)의 입구측에 연결되어 있다. 따라서 반송라인(26)은 혐기성 소화조(20) 내의 처리수 일부를 체여과 분리막 반응조(12)로 반송시킨다. 따라서 혐기성 소화조(20)에서 발생된 인은 체여과 분리막 반응조(12)로 유입되어 처리된다. 이때 유입유량 대비 체여과 분리막 반응조(12)로부터의 반송량은 0.9~1.3배, 분리막 생물반응조(14)로부터의 반송량은 0.1~0.2배로 유지하며, 혼합조(16)로부터 슬러지 농축조(22)의 농축유량은 농축방법에 따라 유동적으로 0.1~0.3 배까지 조절할 수 있다.

이같이 체여과 분리막반응조(12)에서 슬러지 농도를 감소함으로써 분리막 생물반응조(14)내 분리막의 폐색(fouling) 현상을 개선하는 특징을 가진다. 따라서 분리막 생물반응조(14)의 장점인 활성슬러지 공정의 침전조 부지를 절감하는 장점과 더불어 처리량을 최대 100%증가할 수 있는 장점을 갖게 된다.

또한, 분리막 생물반응조(14)에서 배출되는 1% 가량의 고농도 슬러지는 슬러지 농축조(22)를 통해 7% 내외의 고농축 슬러지로 농축하는 경우 기존 혐기소화조 용량에 비하여 50%가량 감소할 수 있다. 따라서 겨울철 가온에너지를 획기적으로 절감할 수 있다.

또한, 체여과 분리막 반응조(12)와 분리막 생물반응조(14)에서 생흡착 반응이 이루어지고, 혐기성 소화조(20)의 슬러지 반송으로 짧은 시간 동안 유기물을 다량 흡착한 슬러지는 기존 MBR 공정에서 배출되는 슬러지에 비하여 체여과 분리막 반응조(12)의 조 크기를 감소시키고, 혐기성 소화조(20)에서의 소화율을 증진하는 효과가 있다. 또한 혐기성 소화조(20)의 잉여슬러지를 반송하여 전체적인 고형물 체류시간(SRT)를 증가시킴으로써 잉여슬러지 발생량이 감소하게 된다.

도 3은 일 50L의 처리 용량을 가진 두기의 실험실용 통합반응기의 운전 결과의 유기물 제거곡선을 나타내는 그래프로서 총유기물 대비 부유물질의 농도를 절반정도 포함한 유입수를 처리한 결과를 보여준다. 즉, 안정화 시점이 지난 반응기 두기 모두 양호한 처리효율을 가지고 있는 것을 나타내고 있다.

아래 표1은 통합반응기의 반응운전조건 및 처리수질을 나타낸다.

반응조 운전조건		단위	수질항목(mg/L)	유입수	처리수
일유량	50	L/day	유기물(CODcr)	300	7±5
반송량	50	L/day	총질소(TN)	25	13±4
MBRF Flux	35	LMH	총인(TP)	5	1±1
HRT	7-8	hr	부유물질(SS)	150	1 이하

본 실시 예에 따른 생흡착 반응을 회분식 반응기를 이용한 용해성 유기물(Soluble COD)과 총 유기물(Total COD)의 시간에 따른 생흡착 변화추이를 도 4에 그래프로 도시하였다.

도 4의 실험에 사용된 MLVSS의 초기농도는 1000mg/L였으며 실험에 앞서 기질 고갈 상태에서 2시간이상 방치된 후 실험에 사용되었다. 실험 초기 30분 동안 총 유기물의 농도는 거의 변화가 없었으나 이후 90분 동안 약 15%의 총 유기물이 감소되었다. 반면 용해성 유기물의 경우 초기 30분 동안 약 20%의 유기물이 감소한 반면 이후 90분 동안 약 15%가 감소하였다. 이는 초기 30분 동안 문헌을 통하여 알려진 바 있는 생흡착에 의한 급속한 유기물의 감소현상이 발생한 반면, 이후 90분 동안은 일반적인 생분해 작용에 의한 제거가 발생한 것으로 볼 수 있다. 20번 이상의 생흡착 회분식 반응에서 적정 기질고갈유지 상태의 조건은 2시간 - 4시간, 최대 흡착시간은 15분 - 1시간 사이인 것을 알 수 있었다.

아래 표2는 에너지 절감량을 나타낸다

	MBR	본발명
총처리용량(m³/일)	80,000	80,000
호기조용량(m³)	20,000	15,000
호기조전력(kW)	2,600	1,625
호기조비용(백만원/년)	1,320	825
혐기소화조일부하(kg/일)	22,857	40,000
바이오가스전력생산(kW)	514	900
바이오가스생산비용(백만원/년)	-261	-457
총비용(백만원/년)	1,059	368

표 2와 같이 전력 비용 1400원/KW으로 계산하였을 경우 부지용적 절감 제외 년간 7억원 절감효과가 발생하였다.

본 발명에 의하여 구현되는 시스템의 연간 에너지 사용량은 80,000톤/일 기준으로 기존 MBR의 1/4용량은 생흡착 등에 의해 MBR에서 SiBR로 대체하고 1/2용량은 MBR을 설치함으로써 호기성 안정화조의 운영전력을 절감하고, 동시에 슬러지농축에 의한 메탄생성량 증가에 따른 에너지 생산전력이 증가한다. 결국 기존 MBR공정에 비하여 약 70%의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

12: 체여과 분리막 반응조
14: 분리막 생물반응조
16: 혼합조
18: 호기성 안정화조
20: 혐기성 소화조
22: 슬러지 농축조
24: 무산소조
26: 반송라인

Claims

미생물 증식과 유기물 흡착을 수행하는 체여과 분리막 반응조와;
체여과 분리막 반응조에서 여과된 처리수에 포함된 유기물을 분해하고 생물학적 여과를 수행하는 분리막 생물반응조와;
체여과 분리막 반응조와 분리막 생물반응조로부터 유출된 처리수를 혼합시키는 혼합조와;
혼합조와 체여과 분리막 반응조의 사이에 연결되어 미생물을 증식하여 유기물 안정화시키는 호기성 안정화조와;
혼합조로부터 유출된 슬러지를 농축시키고 처리수를 혐기성 소화조와 호기성 안정화조로 분배시키는 슬러지 농축조와;
호기성 안정화조와 병렬로 연결되어 슬러지 농축조로부터 유출된 슬러지와 유기물을 제거하고 인과 메탄 가스를 발생시키는 혐기성 소화조와;
체여과 분리막 반응조의 전단에 설치되고 호기성 안정화조와 혐기성 소화조의 처리수가 합류하여 공급되며 미생물을 증식시키는 무산소조와;
혐기성 소화조 내의 처리수 일부를 체여과 분리막 반응조로 반송시키는 반송라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 체여과-분리막생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템.
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제1항에 있어서,
혼합조로부터 슬러지 농축조로 전달되는 슬러지 농도는 1% 이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 체여과-분리막 생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성 소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템.