KR102164624B1

KR102164624B1 - 하수 처리용 질소제거 반응조 및 이를 포함하는 하수 처리 시스템

Info

Publication number: KR102164624B1
Application number: KR1020170049522A
Authority: KR
Inventors: 진양오; 조환철; 김성주
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2020-10-12
Also published as: KR20180116805A

Abstract

본 발명은 하수 처리용 질소제거 반응조 및 이를 포함하는 하수 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상기 질소제거 반응조는 소화조에서 발생한 암모늄 함유 탈리액이 유입되어 체류하는 처리조; 및
상기 처리조의 암모늄-산화 박테리아(Anammox) 그래뉼 및 활성 슬러지를 포함하는 탈리액으로 분리하기 위한 분리막 생물 반응기(MBR)를 포함하며,
상기 분리막 생물 반응기는 분리막을 왕복운동 시킴으로써 분리막에 부착된 이물질을 제거할 수 있는 하수 처리용 질소제거 반응조에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 하수 처리용 질소제거 반응조는 혐기성 암모늄-산화 박테리아를 이용하여, 바이오 가스를 생산한 이후 발생하는 탈리액 내의 질소 함량을 감소시키고, 혐기성 암모늄-산화 박테리아에 의해 생산되는 그래뉼을 분리막 생물 반응조를 이용하여 높은 효율로 분리를 수행함으로써 처리 시간은 단축시키고 분리된 활성 슬러지를 재사용할 수 있도록 함에 따라, 슬러지 배출량은 현저히 감소시킬 수 있다.

Description

하수 처리용 질소제거 반응조 및 이를 포함하는 하수 처리 시스템{BIO-REACTOR FOR SEWAGE TREATMENT AND SEWAGE TREATMENT SYSTEM COMPRISING THE SAME}

본 발명은 하수 처리용 질소제거 반응조 및 이를 포함하는 하수 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 에너지 생산형 하수 처리 시스템에서 하수 내의 질소 함량을 낮춰, 연속 공정으로 진행되는 하수 처리 과정에서의 에너지 생산 효율을 향상시킬 수 있는 하수 처리용 질소제거 반응조 및 이를 포함하는 하수 처리 시스템에 관한 것이다.

종래의 일반적인 하수처리시설은 표준 활성슬러지 공법이나 상기 공법의 추가 또는 변형된 공법을 주로 사용하고 외국에서는 A2/O 공정, UCT 공정, VIP 공정등을 사용하며, 상기의 외국에서 사용되는 공정은 국내의 합류식 하수배제 방식에 적용되지 못하고 있는 실정이며, 상기의 A2/O 공정은 생물학적 처리공정으로 A/O공법을 개량하여 질소 및 인을 제거하기 위한 공법으로 반응조는 혐기성조(Anaerobic Tank), 무산소조(Anoxic Tank), 호기성조(Aerobic Tank)로 구성되며 질산성 질소를 제거하기 위한 내부반송(Nitrifer Recycle)과 침전지 슬러지 반송으로 구성되고 혐기성조에서는 혐기성조건에서 인을 방출시켜 호기성조에서 미생물이 과잉섭취할 수 있도록 하며, 무산소조는 호기성조의 내부반송수의 질산염(nitrate)를 탈질시킴으로 질소와 인을 제거한다.

상기의 A₂/O 공정을 통하여 하수의 질소 및 인 제거를 실시하여 하수내 영양염류를 줄이지만 하수 내 질소와 인 제거에만 중점을 두고 있고, 최근 문제가 되고 있는 하수 내 인체에 유해한 박테리아와 미생물 제거가 되지 못한다는 문제점이 있다.

상기의 하수처리장은 거의 대부분이 미생물에 의해 오염물이 분해되는 방식을 이용한 생물학적 처리방법으로 운영되고 있다. 생물학적 처리방법은 오랫동안 그 성능이 입증되었고 가장 효과적이고 안전한 방법이지만 잉여 슬러지가 발생하는 것이 문제이다.

잉여 슬러지는 대부분 미생물 덩어리로 유기물이기 때문에 부패하기 쉬워 처리가 문제이다. 지금까지 주로 해양 투기에 의존해 왔고 일부는 매립 또는 소각되고 있었다. 잉여 슬러지의 발생량은 2012년 기준 하루 10,000톤 이상, 연간 365만톤 이상의 슬러지가 발생하고 있으며 앞으로 지속적으로 증가할 것이다.

이러한 잉여 슬러지의 처리에 대해, 2012년부터 해양투기가 금지되어 폐기물 자원화, 에너지화 및 감량화 등 유기성 폐기물의 신재생에너지화 촉진 정책이 추진되고 있으며 특히 혐기성 소화조를 통한 슬러지 처리를 실시함에 있어서 처리효율을 높이기 위해 가용화 전처리 과정을 실시하고 있으며 상기 전처리 기술로는 고온 호기성 미생물을 이용하는 생물학적 방법, 초음파와 수리동력학적 캐비테이션과 열 가수분해 및 볼밀 파쇄장치를 이용하는 물리적 방법, 오존 처리와 알칼리 약품처리를 이용하는 화학적 방법, 상기의 처리방법을 복수개 병합하여 처리하는 복합처리 방법, 전기분해를 이용한 전기적 방법을 사용하고 있으나 비용이 고가이거나 감량 효율이 떨어져 실용화에 어려움을 겪는 문제점이 있다.

상기의 혐기성 소화조의 소화 효율 증대를 위한 슬러지 가용화 방법으로 한국등록특허 10-135458호는 폐수처리과정에서 발생하는 잉여 슬러지를 알칼리 촉매와 메탄올을 처리하여 슬러지 내 생분해 가능한 미생물의 세포막을 연화 또는 파괴시켜 소화조의 혐기성 미생물에 의한 혐기성 소화 효율을 향상시키는 것으로 상기의 운영관리의 어려움과 관리비용이 문제가 되고 있다.

본 발명의 일 목적은 하수 처리용 질소제거 반응조로, 구조가 간단하여 부지 면적을 최소화할 수 있으면서도 처리 시간을 절감시킬 수 있으며, 활성 슬러지의 재사용이 가능한 질소제거 반응조를 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에서 제공하는 질소제거 반응조를 포함하여 간단한 구조를 통해 부지 면적은 최소화하면서 부산물의 발생량과 처리 시간을 절감할 수 있고, 바이오 가스를 생산하여 회수할 수 있는 하수 처리 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 가정된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 본 발명은 에너지 생산형 하수 처리 시스템에 적용되는 질소제거 반응조로, 상기 질소제거 반응조는 소화조에서 발생한 암모늄 함유 탈리액이 유입되어 체류하는 처리조; 및 상기 처리조의 암모늄-산화 박테리아(Anammox) 그래뉼 및 활성 슬러지를 포함하는 탈리액으로 분리하기 위한 분리막 생물 반응기(MBR)를 포함하며, 상기 분리막 생물 반응기는 분리막을 왕복운동 시킴으로써 분리막에 부착된 이물질을 제거할 수 있는 하수 처리용 질소제거 반응조에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 분리막 생물 반응기는 처리조에 연결되는 처리수 저장조에 포함될 수 있다.

본 발명에서 상기 처리수 저장조는 분리막 생물 반응기를 통과하지 못한 암모늄-산화 박테리아(Anammox) 그래뉼을 처리조로 이송하기 위한 암모늄-산화 박테리아 이송 배관을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 분리막 생물 반응기(MBR)는 막지지프레임; 상기 막지지프레임에 장착되는 분리막 모듈; 상기 막지지프레임과 연결되고, 상기 막지지프레임을 왕복시키는 왕복수단; 및 상기 막지지프레임의 하단에 배치되고, 상기 처리조에 축적되는 슬러지를 부양시키는 슬러지 부양부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 분리막 모듈은 다수의 중공사막을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 중공사막은 직경이 50 내지 150㎛인 기공을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 활성 슬러지는 AOA(Ammonia Oxidizing Archaea), AOB(Ammonia Oxidizing Bateria) 및 NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)는 플랑크토마이세테스(Planctomycetes)일 수 있다.

본 발명에서 상기 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)는 플랑크토마이세데스 과립일 수 있다.

본 발명의 일 구체예로, 본 발명은 슬러지를 포함하는 하수를 침전시켜 생슬러지 및 하수로 분리하는 1차 침전조; 상기 1차 침전조에서 분리한 하수 내의 유기물질과 활성 슬러지(Activated Sludge)를 흡착시켜 분리하고, 탈질 공정을 진행하는 생물반응조; 상기 생물반응조에서 유기 물질을 흡착한 하수 내의 잉여 슬러지를 침전시키기 위한 2차 침전조; 상기 1차 침전조에서 침전시켜 회수한 생슬러지 및 상기 2차 침전조에서 침전시켜 회수한 잉여 슬러지를 탈수시키는 탈수조; 탈수조에서 탈수시킨 생슬러지 및 잉여 슬러지를 혐기성 소화시켜 바이오 가스를 생산하는 소화조; 및 상기 소화조에서 발생한 암모늄 함유 탈리액을 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)로 반응시켜 질소를 제거하는 제1항에 따른 질소제거 반응조를 포함하는 에너지 생산형 하수 처리 시스템에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 질소제거 반응조는 암모늄-산화 박테리아(Anammox) 그래뉼 및 활성 슬러지를 포함하는 탈리액으로 분리하기 위한 분리막 생물 반응기(MBR)을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 분리막 생물 반응기는 활성 슬러지를 포함하는 탈리액을 1차 침전조로 이송하기 위한 탈리액 공급부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 생물반응조는 하수 내의 유기물질과 활성 슬러지(Activated Sludge)의 흡착을 위해 공기를 주입할 수 있는 공기 주입 장치를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 생물반응조는 유기 물질을 흡착한 활성 슬러지를 분리하기 위한 분리막 생물 반응기(MBR)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 소화조에서 발생된 바이오 가스를 포집하는 바이오 가스 포집기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 하수 처리용 질소제거 반응조는 하수 처리 시스템 상의 소화조에서 에너지를 생산하고 발생한 탈리액을 혐기성 암모늄-산화 박테리아와 반응시켜, 탈리액 내의 질소 함유량을 낮출 수 있어, 이를 하수 처리 시스템 상에 공급함에 따라, 전체 하수 처리 시스템 상의 하수 내에 포함되는 질소의 함량을 일정 수준 이하로 유지시켜, 하수 처리 시스템 상의 에너지 발생 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 질소제거 반응조에 분리막 생물 반응기를 이용하여 높은 효율로 고액 분리를 수행함으로써 처리 시간은 단축시키고 분리한 활성 슬러지는 재사용함에 따라, 슬러지 배출량을 현저히 감소시킬 수 있다. 이에 따라 부지 면적은 최소화하면서 부지 단위 면적 당 하수 처리 효율을 더욱 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트형 생물반응조의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 종래의 MBR을 포함하는 생물반응조의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물 반응기에 대한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물 반응기 내의 분리막 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 늘어짐 정도(looseness)를 계산하는 방법을 나타낸 도면이다.
10: 1차 침전조
20: 생물반응조
21: 호기조 22:혼합셀
23: 호기 반응조 24: 분리막 생물 반응기
25: 혐기조
30: 2차 침전조
40: 탈수조
50: 소화조
60: 질소제거 반응조
61: 처리조 62: 분리막 생물 반응기
63: 처리수 저장조
100: 분리막 생물 반응기
200:왕복수단
250:왕복프레임
300:처리조 310:유입구
320:유출구
400:슬러지부양부
500:활주수단
600:막지지프레임
700:분리막 모듈 710:상부 프레임
711:집수부 720:하부 프레임
712,722:간격유지부 730:중공사막
900:여과수배출부
1000:제어부

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명의 컴팩트형 생물반응조 및 에너지 생산형 하수 처리 시스템에 대하여 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트형 생물반응조의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 본 발명의 생물반응조는 호기조(21); 분리막 생물 반응기(MBR, 24); 및 혐기조(25)를 포함한다. 보다 상세하게, 활성 슬러지를 이용하여 하수 내에 포함되는 유기 물질을 흡착하기 위한 호기조(21)로, 상기 호기조(21)은 하수를 공급하는 유입구; 하수를 수용하여 활성 슬러지를 혼합하는 혼합셀(22); 상기 혼합셀(22)과 연속적으로 결합되며, 활성 슬러지와 하수 내의 유기 물질의 흡착이 일어나는 호기 반응조(23)를 포함한다. 활성 슬러지는 하수 내의 유기 물질과 흡착이 일어나게 되고, 이러한 흡착 공정을 통해, 빠른 시간내에 하수에 존재하는 오염 물질의 일정량을 제거할 수 있다.

또한, 호기 반응조(23) 내의 활성 슬러지의 흡착 공정은 공기의 주입을 통해 진행되며, 이에, 호기 반응조(23)에 공기 주입 장치(26)이 연결되어, 공기를 주입할 수 있다.

또한, 호기 반응조(23)는 활성 슬러지에 의해 하수의 오염 물질을 제거하고자 하는 것으로, 이에, 호기 반응조(23) 내의 활성 슬러지의 반응을 위한 적합한 환경 조건을 조성해야 한다.

따라서, 일반적으로 10℃ 내지 35℃의 범위에서 온도를 유지시키며, 활성 슬러지가 흡착 공정을 진행하기에 충분한 정도의 체류 시간을 유지하는 것이 중요하며, pH는 6.5 내지 8.5를 유지해야 한다.

본 발명에서는 상기 호기조(21)의 유입구를 통하여 처리의 대상이 되는 하수를 공급한 뒤, 활성 슬러지를 혼합하고, 이를 반응시켜 하수 내에 포함되어 있는 유기 물질을 흡착하며, 이때, 활성 슬러지는 AOA(Ammonia Oxidizing Archaea), AOB(Ammonia Oxidizing Bateria) 및 NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성되며, 활성 슬러지를 통해, 유기 물질을 흡착시킨다.

또한, 본 발명에서는 상기 혼합 셀(22)에 1개 이상의 교반기를 더 포함함으로써, 상기 하수와 상기 활성 슬러지의 혼화 공정을 촉진시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 교반기의 형상을 특별히 제한하지는 않으나, 날개를 갖는 임펠러(impeller) 타입일 수 있다. 여기서 상기 임펠러 타입의 교반기의 구체적인 형상은 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명의 바람직한 한 구현 예에 따르면, 상기 임펠러 타입의 교반기는 외측 날개부는 내측 날개부의 하부 방향을 향하도록 절곡 형성됨으로써 손으로 물을 모아 힘 있게 물을 밀어내듯이 원하는 방향으로 최대한 많은 양의 물을 밀어 내어 흐르게 함으로써 교반 효과를 극대화할 수 있다.

본 발명에서 상기 교반기가 복수 개인 경우, 복수 개의 교반기의 날개 직경은 같거나 상이할 수 있으나, 바람직하게는, 날개 직경이 상이한 복수 개의 교반기를 챔버 상부에서 챔버 하부측으로 갈수록 직경이 작아지도록 배치하는 것이 유입수가 챔버의 상부에서 하부로 이동하면서 더욱 빠른 혼화 속도를 유지하게 할 수 있다.

이때, 상기 교반기 날개의 회전수(G-value)는 특별히 한정하지 않으며, 혼화 및 응집 규모나 챔버의 크기에 따라 적절히 선택할 수 있으나, 바람직하게는 30 ~ 110sec^-1일 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기한 활성 슬러지와 함께 보조제를 추가로 투입할 수 있는데, 여기서 상기 보조제로는 점토, 수산화칼슘, 양이온 응집제, 음이온 응집제 및 비이온 응집제로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 호기조(21)에서 하수 내에 포함된 유기 물질을 활성 슬러지가 흡착시켜, 플럭(floc)으로 성장되면, 상기와 같이 처리된 하수를 호기조(21)에 연결된 분리막 생물 반응기(24)로 공급한다. 상기 하수 내에 포함된 유기 물질이 흡착된 활성슬러지는 상기 분리막 생물 반응기(21)를 통과하지 못하고 고상의 슬러지로 잔존한다. 따라서, 본 발명에서는 분리막 생물 반응기(24)를 통하여 플럭이 포함된 하수를 고상의 슬러지와 액상의 1차 처리수로 분리할 수 있다.

도 2는 종래 MBR을 포함하는 생물반응조에 관한 것으로, MBR을 이용하여 고상의 슬러지 및 액상의 1차 처리수를 분리할 때, MBR의 분리막이 이물질에 의해 폐색이 발생하는 문제가 있어, 분리막의 세척을 위한 공기 주입 장치가 필요했다. 반면, 본 발명에서는 분리막을 왕복 운동시킴에 따라, 분리막에 부착된 이물질을 제거할 수 있어, 분리막의 폐색 방지를 위한 공기 주입 장치를 별도로 필요로 하지 않는 점에서 종래의 MBR과는 차이가 있다.

본 발명에서 상기 분리막 생물 반응기(MBR, 24)는 막지지프레임; 상기 막지지프레임에 장착되는 분리막 모듈; 상기 막지지프레임과 연결되고, 상기 막지지프레임을 왕복시키는 왕복수단; 및 상기 막지지프레임의 하단에 배치되고, 상기 처리조에 축적되는 슬러지를 부양시키는 슬러지 부양부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 분리막 생물 반응기(24)는 분리된 슬러지를 호기조(21)로 이송하기 위한 슬러지 공급 배관을 더 포함하여, 분리된 고상의 슬러지는 다시 호기조(21)로 이송시켜, 하수내의 유기 물질의 흡착에 재사용할 수 있다.

본 발명에서 분리막 생물 반응기(24)를 통해, 분리된 1차 처리수는 혐기조(25)로 이동하여, 탈질 공정을 진행한다. 즉, 1차 처리수는 호기조(21)에서 유기 물질의 제거가 진행되었으나, NH⁴⁺ 및 NO^2-는 제거되지 않고 존재하게 된다. 이에, 혐기조(25)에서 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)를 이용하여 탈질 공정을 진행한다. 즉, NH⁴⁺ 및 NO^2-를 N₂로 반응시켜, 질소를 제거한 2차 처리수를 2차 침전조(30)로 이송한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 본 발명의 하수 처리 시스템은 본 발명에 따른 1차 침전조(10); 생물반응조(20), 2차 침전조(30), 탈수조(40), 소화조(50) 및 질소제거 반응조(60)를 포함할 수 있다.

본 발명에서는 상기 1차 침전조(10)에 하수를 공급한 뒤 하수에 포함된 이물질을 생슬러지로 침전시켜 생슬러지는 회수하고, 생술러지가 제거된 하수를 생물반응조(20)로 공급할 수 있다. 보다 상세하게 상기 1차 침전조(10)에 하수가 공급되면 물보다 비중이 무거운 물질(생슬러지)층과 물보다 비중이 가벼운 물질(부유 물질)로 분리되는데, 이 과정을 통하여 하수 내에 포함된 오염 물질의 대략 40%를 제거할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 1차 침전조(10)에서 생슬러지로부터 분리된 액상의 하수는 생물반응조(20)로 공급될 수 있다. 상기 생물반응조(20)의 구체적인 구성 및 기능은 앞서 기재한 바와 중복되어 자세한 기재는 생략한다.

본 발명에서 상기 생물반응조(20)의 호기조(21)에서 하수에 포함된 유기 물질들이 활성 슬러지에 흡착되거나, 응집될 수 있고, 이어서 분리막 생물 반응기(24)에서 상기 하수는 고상의 슬러지와 액상의 1차 처리수로 분리될 수 있다. 이때 상기 1차 처리수는 혐기조(25)로 이송되어, 탈질 공정을 진행하게 되며, 혐기조(25)에서의 탈질 공정은 앞서 기재한 바와 중복되어 자세한 기재는 생략한다.

본 발명에서는 상기 생물반응조(20)의 분리막 생물 반응기(24)에 의하여 하수로부터 함수율이 대략 70 내지 80% 정도에 불과한 고상의 슬러지를 분리할 수 있으며, 종래의 분리막 생물 반응기와 달리, 본 발명은 분리막의 이물질을 제거하기 위한 별도의 공기 주입 장치를 필요로 하지 않는다.

반면, 본 발명에서는 분리막 생물 반응기(24)로, 막지지프레임; 상기 막지지프레임에 장착되는 분리막 모듈; 상기 막지지프레임과 연결되고, 상기 막지지프레임을 왕복시키는 왕복수단; 및 상기 막지지프레임의 하단에 배치되고, 상기 처리조에 축적되는 슬러지를 부양시키는 슬러지 부양부를 포함함에 따라, 별도의 막 세척용 공기 주입 장치를 필요로 하지 않는다.

본 발명의 분리막 생물 반응기(24)는 하기에서 보다 자세히 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 도 1을 통해 살펴본 바와 같이, 하수는 1차 침전조(10)에서 생슬러지를 침전시키고, 액상의 하수를 분리하여, 생물반응조(20)로 이송시켜, 상기 생물반응조(20) 내에서 호기조(21); 분리막 생물 반응기(24); 및 혐기조(25)를 거쳐, 유기 물질의 제거 및 탈질 공정을 진행한다.

혐기조(25)에서 질소가 제거된 2차 처리수는 제2 침전조(30)에 체류하며, 잉여 슬러지를 침전시켜 제거하고, 이후, 소독 과정을 거쳐 배출된다.

상기 1차 침전조 및 2차 침전조에 의해 침전시켜 분리한 생슬러지 및 잉여 슬러지는 탈수조(40)로 이송되어, 탈수 공정을 진행하게 된다. 탈수 공정 이후의 농축 슬러지는 소화조(50)로 이송된다.

본 발명에서 소화조(50)는 혐기성 미생물을 이용하여 상기 잉여 슬러지 및 생슬러지에 대하여 혐기성 소화 공정을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 혐기성 소화 공정은 일명 "메탄 발효"라고도 하며, 상기 잉여 슬러지 내에 포함된 유기물을 여러 혐기성 미생물의 분해 작용에 의하여 메탄으로 전환하는 일련의 프로세스로, 보다 구체적으로 고형상의 유기물을 액상화하고, 가수분해하는 과정, 식초산, 프로피온산, 부틸산을 생성하는 저급지방산(휘발성유기산, VFA)을 생성하는 과정, 이들을 식초산 및 H₂가스로 분해하는 과정, 이들 산물을 이용하여 메탄을 생성하는 과정으로 진행된다.

본 발명에서 상기 소화조(50)에서는 농축 슬러지의 처리와 동시에 메탄이라는 바이오 가스로 에너지를 회수할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 소화조(50)에서 발생되는 바이오 가스를 포집하는 바이오 가스 포집기(미도시)를 더 포함할 수 있고, 필요에 따라서는 상기 바이오 가스 내에 포함된 메탄과 이산화탄소를 분리하는 바이오 가스 분리막을 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 소화조(50)에서 혐기성 소화 공정이 수행되면 더 이상 재활용이 불가한 소화 슬러지 및 탈리액이 발생한다. 상기 소화 슬러지의 경우 폐기시킬 수 있고, 상기 탈리액은 질소제거 반응조(60)로 공급될 수 있다.

질소제거 반응조(60)는 연속회분식활성 슬러지 공법을 이용하는 것이다. 종래의 SBR 공정은 1개의 회분조에 반응조와 이차 침전지의 기능을 갖게 하여 반응과 혼합액의 침전, 상징수의 배수, 침전 슬러지의 배출 공정 등을 반복하여 처리하는 방식이다.

종래의 하수 처리 시스템의 경우, 소화조(50)에서 농축 슬러지를 이용하여 혐기성 소화 공정을 진행한 이후, 발생하는 탈리액을 다시 1차 침전조로 이송시켜 재처리 하였다. 하지만 그 경우, 소화조(50)에서 발생하는 탈리액은 NH⁴⁺ 또는 NO^2-를 포함하여, 연속 공정으로 하수 처리를 진행한다면 질소의 농도가 계속적으로 상승하여 생물반응조(20) 내에서 C(탄소)/N(질소)의 비가 1을 초과하게 되고, 최종적으로는 소화조(50)에서의 에너지 생산 효율이 현저히 떨어지는 문제가 발생하였다.

본 발명에서는 상기한 문제점을 방지하고자, 소화조(50)에서 발생한 탈리액을 질소제거 반응조(60)로 이송시켜, 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)와 반응시킴으로써, 상기 탈리액 내에 포함된 NH⁴⁺ 및 NO^2-를 N₂로 변환시켜 질소를 제거할 수 있다.

본 발명에서 상기 혐기성 암모늄-산화 박테리아는 플랑크토마이세테스(Planctomycetes)일 수 있다. 일반적으로 생물반응조(20)에서 활성 슬러지로 사용되는 AOB 박테리아는 NH⁴⁺의 50% 정도를 NO^2-로 변환시킬 수 있으나, 본 발명에서 질소제거 반응조(60)에서 사용하는 플랑크토마이세테스(Planctomycetes)는 NH⁴⁺ 및 NO^2-를 모두 N₂로 변환시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 플랑크토마이세테스(Planctomycetes)는 주변의 유기물과 흡착되어, 그래뉼(granule)을 형성하게 되는데, 이때 그래뉼의 입자 크기는 AOA, AOB 및 NOB 박테리아와 비교하여, 비교적 큰 입자 크기를 나타낼 수 있어, 후술하는 바와 같이 분리막 생물 반응기(62) 내에서 그 입자 크기에 따라 선택적으로 분리할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 질소제거 반응조(60)에서 탈리액 내에 포함된 질소를 제거함에 따라 상기 질소제거 반응조(60)에서 발생되는 최종 처리수를 1차 침전조(10)로 이송시켜 하수 처리 공정을 수행하여도 생물반응조(20) 내에서 C(탄소)/N(질소)의 비가 ≤1을 유지할 수 있어, 하수 처리를 위한 연속 공정에서도 에너지 생산 효율을 유지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 구체적으로 본 발명의 질소제거 반응조(60)는 처리조(61) 및 분리막 생물 반응기(62)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 질소제거 반응조(60)로 이송된 탈리액은 처리조(61) 내부에 수용될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 분리막 생물 반응기(62)는 분리막 모듈을 포함하며, 상기 분리막 모듈은 다수의 중공사막을 포함할 수 있다.

본 발명에서 처리조(61)로 이송된 탈리액은 혐기성 암모늄-산화 박테리아에 의하여 혐기성 소화 반응이 수행되어 그래뉼이 형성된다.

본 발명에서 상기 분리막 모듈에 포함된 중공사막의 기공은 직경이 50 내지 150㎛로 조절함으로써 상기 그래뉼은 분리막 모듈을 통과하지 못하는 반면, 생물반응조(20)에서의 활성 슬러지인 AOA, AOB 및 NOB 등의 박테리아는 다시 분리막 모듈을 통과할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같이 정화된 탈리액과 그에 포함된 AOA, AOB 및 NOB 등의 박테리아는 별도로 회수하여 처리수 재공급 배관(64)을 통하여 1차 침전조(10)로 재공급할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 구체적으로 본 발명의 질소제거 반응조(60)는 처리조(61); 처리수 저장소(63) 및 분리막 생물 반응기(62)를 포함할 수 있다.

도 4와 달리, 질소제거 반응조(60)의 처리조(61) 내에 분리막 생물 반응기(62)를 포함하지 않고, 상기 처리조(61)에 연결된 처리수 저장소(63) 내에 분리막 생물 반응기(62)를 포함하고 있다. 따라서, 질소제거 반응조(60)의 처리조(61)에서 탈리액이 혐기성 암모늄-산화 박테리아에 의하여 혐기성 소화 반응이 수행되고, 혐기성 소화 반응이 수행된 정화된 탈리액을 처리수 저장소(63)으로 이송시켜, 분리막 생물 반응기(62)를 이용하여, 혐기성 암모늄-산화 박테리아에 의해 생성되는 그래뉼과 AOA, AOB 및 NOB 등의 박테리아를 분리할 수 있다. 즉, 상기 그래뉼은 분리막 생물 반응기(62)의 분리막 모듈을 통과하지 못하는 반면, AOA, AOB 및 NOB 등의 박테리아는 다시 분리막 모듈을 통과하게 되고, 통과한 박테리아를 포함하는 정화된 탈리액은 처리수 재공급 배관(64)을 통하여 1차 침전조(10)로 재공급되며, 상기 그래뉼은 그래뉼 이송 배관(65)를 통해 질소제거 반응조(60)의 처리조(61)로 이송된다.

이하에서는 본 발명의 분리막 생물 반응기(24, 62)에 대해 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

도 6을 참고하면 본 발명의 분리막 생물 반응기(24, 62)는 기본적으로 처리조(300), 막지지프레임(600), 분리막 모듈(700), 왕복수단(200), 슬러지부양부(400), 활주수단(500) 및 여과수배출부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 추가적으로 실시예에 따라 길이조절부(740), 간격측정유닛(810), 간격조절수단(860) 및 제어부(1000) 등의 구성을 더 구비할 수 있다.

상기 처리조(300)는 탱크 형태로 제공될 수 있으며, 폐수(또는 하수)가 유입되는 유입구(310)와 처리된 폐수(또는 하수)가 배출되는 유출구(320)가 구비될 수 있다.

이때, 상기 유입구(310)는 유입수가 상기 처리조(300)의 상측으로 유동될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 처리조(300)의 입구에서 상측으로 유동되는 흐름이 발생하여 유입수가 처리조(300)의 하측에서 정체되는 것을 방지할 수 있고 보다 효과적으로 여과가 일어날 수 있게 된다. 상기 유입구(310)는 상기 처리조(300)의 일면 상측에 형성될 수도 있고, 또는 하측에 형성하는 것이 설계가 더 용이할 때에는 하측에서 상측으로 구부러진 배관으로 형성될 수도 있다.

상기 막지지프레임(600)은 상기 처리조(300)의 내부에 배치되고, 멤브레인(membrane) 형태의 분리막 모듈(700)이 장착되는 부분이다. 후술할 바와 같이, 상기 막지지프레임(600)에는 왕복수단(200)이 연결되며, 왕복수단(200)에 의해 상기 막지지프레임(600)이 분리막 모듈(700)과 함께 일체로 왕복운동하게 된다.

상기 왕복수단(200)은 상기 막지지프레임(600)과 연결되고, 상기 막지지프레임(600)을 왕복시키도록 제공될 수 있다. 이러한 상기 왕복수단(200)은 왕복프레임(250)과 구동부(205)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 왕복프레임(250)은 상기 막지지프레임(600)과 연결되며, 상기 막지지프레임(600)을 지지하는 부분일 수 있다. 또한, 상기 구동부(205)는 상기 처리조(300)에 배치되고 상기 왕복프레임(250)의 일측에 연결되며, 상기 왕복프레임(250)을 이동시키도록 구성될 수 있다. 이러한 상기 구동부(205)는 모터(210), 제1 풀리(211), 제2 풀리(213), 로터(230) 및 링크로드(220)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 7을 참고하여 상기 분리막 모듈(700)을 상세히 살펴보면, 기본적으로 상기 분리막 모듈(700)은 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720)을 포함하며 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720) 사이에 다수의 중공사막(730)이 다발을 이루며 고정설치될 수 있다.

이때 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720)은 동일한 형상으로 대칭을 이루도록 형성되되, 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720)은 긴 직사각형의 형상으로 이루어지고 있다.

상기 중공사막(730)은 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720)에 양단이 각각 고정되되, 상기 상부 프레임(710)의 내부에 공간을 이루며 형성된 집수부(711)와 각 중공사막(730)의 중공이 연통될 수 있도록 상기 중공사막(730)이 끼워져 설치될 수 있다. 이에 따라, 중공사막의 외부에서 내부로 흡입되며 여과된 여과수가 상기 집수부(711)에 집수될 수 있다. 이와 관련하여서는 아래의 여과수배출부를 설명할 때 자세히 살펴보도록 한다.

또한, 상기에서는 중공사막의 양 끝단이 각각 상부 프레임과 하부 프레임에 고정되고 있으나, 다른 실시예에 따르면 중공사막이 상부 프레임과 하부 프레임 간에 고정설치되되, 중공사막의 양끝단은 모두 상부 프레임에 고정되며 하부 프레임에 구비된 고정바를 통해 감겨 U자 형태로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 상기 고정바는 가운데에 중공사막이 관통될 수 있는 공간을 가진 막대로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 중공사막(730)은 프레임의 길이방향을 따라 커튼처럼 조밀하게 형성되며, 더욱이 일정한 길이마다 다발을 이루며 형성되되 각 다발마다 일정거리가 이격되도록 설치될 수 있다. 이는 분리막이 길이방향을 따라 너무 조밀하게 형성되면 물이 정체되어 파울링(fouling)이 더 심해질 수 있기 때문에 이격거리를 약간 주어 물이 잘 유동될 수 있도록 하기 위함이다.

상기와 같이 이루어지는 분리막 모듈(700)은 아래에서 살펴볼 바와 같이 상기 막지지프레임(600)의 내부에 다수개가 배치될 수 있는데, 이때 본 발명은 공기 정련 방식을 사용하지 않기 때문에 각 분리막 모듈(700) 사이의 간격이 너무 좁거나 없다면 각 모듈 사이에 물이 정체되어 파울링(fouling)이 더 심해질 수 있다. 그러므로 분리막 모듈(700)의 밀집도를 낮춰 각 모듈 사이로 물이 잘 유동될 수 있도록 해야 한다.

이때, 각 분리막 모듈(700) 사이에서 물이 정체되지 않고 잘 흐를 수 있도록 하기 위해서는 각 모듈 사이의 간격이 2cm 이상인 것이 바람직하나, 간격이 너무 넓으면 분리막 모듈의 설치공간을 많이 차지하게 되고 여과효율이 떨어져 4cm 이하인 것이 바람직하다.

상기 왕복수단(200)에 의해 분리막 모듈(700)의 왕복운동이 이루어짐에 따라 상기 분리막 모듈(700)에 대해 작용하는 관성(inertial force)이 발생하게 되고, 이는 분리막의 표면에 오염물이 부착되는 것을 방지하거나 분리막의 표면으로부터 오염물을 제거하게 된다.

이때, 관성(inertial force)에 의한 이물질 부착 방지 또는 제거효과를 극대화하기 위해서는 분리막의 늘어짐 정도(looseness)를 적정한 수준으로 유지할 수 있어야 한다.

이는 상기 분리막 모듈(700)의 늘어짐이 없으면 상기 막지지프레임(600)의 왕복운동에 의해 상기 분리막 모듈(700)이 일체로 왕복운동한다 하더라도 관성이 부여되기 어려우며 분리막 모듈(700)이 끊어지거나 손상되는 문제점이 발생할 수 있고, 너무 많이 늘어지는 경우에도 관성이 부여되기 어려우며 분리막 모듈(700)의 왕복거리가 커져서 설치공간을 많이 차지하게 되기 때문이다.

이에 따라, 상기 중공사막(730)의 길이는 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720) 간의 거리(L_o)에 상기 거리(L_o)의 0% 초과 10% 이하의 길이를 더하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720)에 각각 연결된 중공사막(730) 가닥에 인장력이 걸리지 않는 상태의 최대길이(이하, '최소 분리막의 길이')에 대해 10% 이하의 여유 길이를 더 부여할 수 있되, 특히 5% 내지 10%의 여유길이를 부여하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 도 8에 나타난 바와 같이 왕복운동으로 분리막에 관성을 발생시킬 수 있는 최대 분리막의 길이(L_f)는 최소 분리막의 길이, 즉 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720) 간의 상하거리(L_o)와 분리막 모듈의 왕복운동거리(a)를 이용하여 계산될 수 있으며, 상기 분리막 모듈(700)의 늘어짐 정도(looseness)를 최대 분리막의 길이(L_f)를 최소 분리막의 길이(L_o)로 나눈 값으로 정할 수 있다. 즉, 상기 분리막 모듈(700)의 늘어짐 정도(looseness)는 1 초과 1.1 이하여야 하며, 특히 1.05 이상 1.1 이하가 바람직하다.

예를 들어, 상기 분리막 모듈(700)의 왕복운동거리(a)가 100mm인 것을 기준으로 최소 분리막의 길이(L_o), 즉 상기 상부 프레임(710)과 하부 프레임(720) 간의 상하거리가 500mm라면 도 8에 도시된 바와 같이 삼각형의 성질에 의해 최대 분리막의 길이(L_f)가 538.5mm로 계산될 수 있으며, 늘어짐 정도(looseness)를 계산해보면 1.08(정확하게는, 1.077)의 값을 얻을 수 있어 바람직하다. 하지만, 이때 왕복운동거리가 150mm라면 최대 분리막의 길이(L_f)가 583.1mm가 되어 늘어짐 정도가 대략 1.17(정확하게는, 1.166)의 값을 갖기 때문에 1.1을 초과하게 되어 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다. 이때는 왕복운동거리를 줄이거나 최소 분리막의 길이를 늘일 수 있다.

또한, 상기 분리막 모듈(700)의 왕복운동거리가 100mm일 때, 최소 분리막의 길이(L_o)가 750mm라면 최대 분리막의 길이(L_f)가 776.2mm로 계산되어 늘어짐 정도가 1.03에 해당하며, 최소 분리막의 길이(Lo)가 1000mm라면 최대 분리막의 길이(L_f)가 1019.8mm로 계산되어 늘어짐 정도가 대략 1.02에 해당하므로 모두 적절하다.

하지만, 상기와 같이 분리막 모듈(700)의 왕복운동거리가 100mm일 때, 최소 분리막의 길이(L_o)가 1500mm가 되면 최대 분리막의 길이(L_f)가 1513.3mm로 계산되어 늘어짐 정도가 1에 가까워지므로 분리막에 관성을 부여하기 어려운바 바람직하지 않으며, 이때는 상기 분리막 모듈(700)의 왕복운동거리가 더욱 늘어나거나 최소 분리막의 길이(L_o)가 줄어들어야 할 것이다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

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1차 침전조에서 분리한 하수 내의 유기물질과 활성 슬러지를 흡착시켜 분리하고, 탈질 공정을 진행하는 생물반응조;
상기 생물반응조에서 탈질 공정을 거친 2차 처리수 내의 잉여 슬러지를 침전시키기 위한 2차 침전조;
상기 1차 침전조에서 침전시켜 회수한 생슬러지 및 상기 2차 침전조에서 침전시켜 회수한 잉여 슬러지를 탈수시키는 탈수조;
탈수조에서 탈수시킨 생슬러지 및 잉여 슬러지를 혐기성 소화시켜 바이오 가스를 생산하는 소화조;
상기 소화조에서 발생된 바이오 가스를 포집하는 바이오 가스 포집기; 및
상기 소화조에서 분리한 암모늄 함유 탈리액을 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)로 반응시켜 질소를 제거하는 질소제거 반응조;를 포함하고,
상기 생물반응조는 활성 슬러지를 이용하여 상기 1차 침전조에서 분리한 하수 내에 포함된 유기 물질을 흡착하는 호기조; 상기 호기조를 거친 하수를 고상의 슬러지와 액상의 1차 처리수로 분리하는 제1 분리막 생물 반응기; 상기 분리된 고상 슬러지를 상기 호기조로 이송하는 슬러지 공급 배관; 및 상기 분리된 액상의 1차 처리수를 혐기성 암모늄-산화 박테리아를 이용한 탈질 공정을 거쳐 상기 2차 처리수를 배출하는 혐기조;를 포함하고,
상기 질소제거 반응조는 혐기성 암모늄-산화 박테리아에 의한 암모늄-산화 박테리아(Anammox) 그래뉼을 형성시키는 처리조; 상기 처리조 내부에 또는 상기 처리조와 연결되는 처리수 저장조에 수용되고, 상기 암모늄-산화 박테리아(Anammox) 그래뉼과 활성 슬러지를 포함하는 최종 처리수로 분리하기 위한 제2 분리막 생물 반응기; 및 상기 최종 처리수를 상기 1차 침전조로 이송하기 위한 처리수 재공급 배관; 를 포함하고,
상기 호기조는 하수 내의 유기물질과 활성 슬러지(Activated Sludge)의 흡착을 위해 공기를 주입할 수 있는 공기 주입 장치를 추가로 포함하며,
상기 제1 분리막 생물 반응기 및 제2 분리막 생물 반응기는
막지지프레임;
상기 막지지프레임에 장착되는, 다수의 중공사막을 포함하는 분리막 모듈; 및
상기 막지지프레임과 연결되고, 상기 막지지프레임을 왕복시키는 왕복수단;을 포함하며,
상기 중공사막은 상기 막지지프레임의 상부 프레임 및 하부 프레임에 의해 고정되며, 상기 중공사막의 길이는 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임 간의 거리 보다 5% 내지 10% 더 길며,
상기 활성 슬러지는 AOA(Ammonia Oxidizing Archaea), AOB(Ammonia Oxidizing Bateria) 및 NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
상기 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)는 과립의 플랑크토마이세테스(Planctomycetes)인 것을 특징으로 하는 하수 처리 시스템.
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