KR20020075635A - 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수의 처리 공정 및 그 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정은, 하폐수의 생물학적 처리 공정에 있어서, 유입된 하폐수를 혐기성 미생물 및 호기성 미생물로 처리하는 생물학적 처리 공정; 상기 생물학적 처리 공정을 거친 처리수를 분리막을 이용하여 고액분리하고 분리된 고형물질을 상기 생물학적 처리 공정으로 반송하는 막분리 공정; 및 상기 생물학적 처리 공정으로부터 생산된 잉여슬러지를 분쇄 또는 산화시킨 후 다시 상기 생물학적 처리 공정으로 유입시키는 잉여슬러지 처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 슬러지 무배출형 하폐수 처리 공정 및 그 장치를 이용하면, 잉여슬러지(잉여미생물)의 발생을 원천적으로 방지할 수 있으므로, 하폐수 처리장 건설시 슬러지 처리 시설이 불필요하여 부지면적이 감소하고 비용이 현저히 절감된다. 뿐만 아니라 슬러지 매립 또는 소각으로 인한 지하수 오염 또는 대기 오염 등의 2차 오염의 문제가 없다. 또한 MBR 공정에 의해, 생물반응조 내부의 미생물 농도를 고농도로 유지할 수 있으므로 대량의 하폐수를 단시간에 처리할 수 있고, 산화 또는 분쇄된 슬러지의 폭기조로의 유입에 의한 폭기조 부하량 상승 및 슬러지 침강성 저하를 방지할 수 있다.

Description

슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정 및 그 장치{Process and apparatus for treating sewage or waste water without emitting excess sludge}

현재 도시하수, 축산폐수 및 유기성 공장폐수 등과 같은 하폐수는 대부분 생물학적 처리 공정(혐기성, 호기성 및 혐기/호기 등)에 의해 처리되고 있다. 그런데, 이러한 생물학적 하폐수 처리 공정에 드는 비용의 약 30 내지 60%는 생물학적 처리조 내의 잉여미생물 처리에 소요되고 있다. 따라서 지금까지 상기 잉여미생물로 이루어진 잉여슬러지를 줄이기 위한 노력이 있어 왔다. 활성오니법과 같은 생물학적 수처리 공정의 침전조에서 침전되는 활성슬러지 중 생물반응조로 보내어 다시 이용하는 부분을 반송슬러지라고 하고, 이를 제외한 나머지 슬러지를 잉여슬러지라고 한다.

도1에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 하폐수 처리 공정은, 혐기조, 호기조 등의 생물반응조(1)를 거쳐 생물학적 분해가 일어난 처리수가 침전조(4)로 이동되어 고액분리된다. 그 후 상등액은 회수되고, 침전된 슬러지 등의 부유물 중 일부는 생물반응조(1)로 반송되어 생물반응조(1) 내에서의 적정 미생물 농도를 유지하고, 나머지 잉여슬러지는 슬러지 농축조(5)를 거쳐 농축되고 약품 혼화조(6)에서 약품이 첨가된 후 탈수조(7)를 거쳐 탈수된다. 탈수된 케이크(폐기물)는 매립되거나 소각된다. 경우에 따라서는 잉여슬러지를 혐기성 소화 또는 호기성 소화를 통해 부피를 감소시킨 후 처리하기도 한다.

그러나 상기와 같은 종래 기술은 잉여미생물 처리에 너무 많은 비용이 드는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 이 공정에서 반송되는 슬러지의 일부에 오존을 투여함으로써 슬러지 발생을 줄이려는 시도가 있었다. 상기 도1의 공정에서 잉여슬러지를 감소시키기 위해, 오존을 투여한 슬러지를 전부 생물반응조(1)에 넣어 처리하거나, 혹은 오존이 투여된 슬러지의 침강성이 좋은 점을 이용하여 상등수만 생물반응조(1)로 투여하고, 농축된 슬러지는 기존 슬러지 처리 공정에 따라 처리하기도 하였다. 그러나 지나치게 많은 슬러지를 오존처리하여 반송하는 경우 미생물의 침강성이 저하되어 처리 수질에 중대한 문제가 생기므로, 잉여슬러지 전량을 이와 같은 방법으로 처리하는 것은 불가능하였고, 단지 일부만을 처리할 수 있을 뿐이었다.

또한 상기 종래기술에서는 생물학적 처리가 끝난 처리수를 고액분리하기 위하여 단지 중력에 의한 침전을 수행할 뿐이기 때문에, 고액분리 효율이 현저히 떨어지는 단점이 있었다. 이러한 낮은 고액분리 효율로 인하여 생물반응조로 반송되는 미생물의 농도가 낮으므로 미생물량 대비 하폐수량이 높아지게 되어 하폐수 처리효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 잉여슬러지(잉여미생물)의 발생을 원천적으로 방지함으로써, 하폐수 처리장 건설시 별도의 슬러지 처리 시설에 필요한 부지면적 및 비용을 줄이는 것이다. 뿐만 아니라 슬러지 매립 또는 소각으로 인한 지하수 오염 또는 대기 오염 등의 2차 오염의 문제를 방지하는 것이다. 또한 생물반응조 내부의 미생물 농도를 고농도로 유지하여, 대량의 하폐수를 단시간에 처리하고, 산화 또는 분쇄된 슬러지의 폭기조로의 유입에 의한 폭기조 부하량 상승 및 슬러지 침강성 저하를 방지하는 것을 목적으로하고 있다.

도1은 종래의 일반적인 생물학적 하폐수 처리 공정의 개략도.

도2는 크로스플로우(crossflow)식 가압형 멤브레인 바이오리액터(Membrane Bioreactor, MBR) 공정을 포함하는 하폐수 처리 공정의 개략도.

도3은 침지형 MBR 공정을 포함하는 하폐수 처리 공정의 개략도.

도4는 본 발명의 바람직한 일실시예로서 크로스플로우식 가압형 MBR 공정 및 잉여슬러지의 재사용을 위한 처리 공정을 포함하는 하폐수 처리 공정의 개략도.

도5는 본 발명의 바람직한 일실시예로서 침지형 MBR 공정 및 잉여슬러지의 재사용을 위한 처리 공정을 포함하는 하폐수 처리 공정의 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 생물반응조2: MBR

3: 잉여슬러지 처리조4: 침전조

5: 슬러지 농축조6: 약품 혼화조

7: 탈수조

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정은, 하폐수의 생물학적 처리 공정에 있어서, 유입된 하폐수를 혐기성 미생물 및 호기성 미생물로 처리하는 생물학적 처리 공정; 상기 생물학적 처리 공정을 거친 처리수를 분리막을 이용하여 고액분리하고 분리된 고형물질을 상기 생물학적 처리 공정으로 반송하는 막분리 공정; 및 상기 생물학적 처리 공정으로부터 생산된 잉여슬러지를 분쇄 또는 산화시킨 후 다시 상기 생물학적 처리 공정으로 유입시키는 잉여슬러지 처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 장치는, 하폐수의 생물학적 처리 장치에 있어서, 유입된 하폐수를 혐기성 미생물 및 호기성 미생물로 처리하는 생물반응조; 상기 생물반응조를 거친 처리수를 분리막을 이용하여 고액분리하고 분리된 고형물질을 상기 생물반응조로 반송하는 멤브레인 바이오리액터(MBR); 및 상기 생물반응조로부터 생산된 잉여슬러지를 분쇄 또는 산화시킨 후 다시 상기 생물반응조로 유입시키는 잉여슬러지 처리조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예들을 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도4는 본 발명의 바람직한 일실시예인 하폐수 처리 공정이다. 생물반응조(1)를 거쳐 생물학적 처리가 끝난 처리수는 가압형 MBR(2)의 막모듈에 의해 고액분리되어 미생물 등의 고체가 걸러져 생물반응조(1)로 반송되고, 우수한 수질의 처리수가 회수된다. 뿐만 아니라, 잉여슬러지 처리조(3)를 별도로 갖추어서, 생물반응조(1)로부터 나온 잉여슬러지를 분쇄 또는 산화시킨 후 이를 다시 생물반응조(1)로 유입시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 종래의 침전조(4) 대신에 분리막 모듈을 포함하는 MBR(2)을 이용함으로써 처리수를 더 효율적으로 고액분리하여 높은 농도의 고체를 분리해낸다. 이러한 높은 농도의 고체를 생물반응조(1)로 반송함으로써 생물반응조 내부의 미생물 농도를 고농도로 유지할 수 있는 장점이 있다. 따라서 미생물에 의한 생물학적 처리 속도가 빨라지므로 하폐수 처리시간이 단축될 수 있고, 미생물 등의 고체를 처리수로부터 완전히 분리함으로써 처리수의 수질이 향상되는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 고농도의 미생물을 생물반응조에서 배양할 수 있으므로, 생물반응조 내부에서 미생물의 자산화가 유도됨으로써, 발생하는 미생물 폐기물(케이크) 양이 감소한다는 장점도 있다.

MBR(2)은 생물반응조(1)와는 별도의 조로 존재하는 가압형 MBR(도4)이거나, 생물반응조(1) 내부에 존재하는 침지형(또는 흡입형) MBR일 수 있다(도5).

MBR 공정을 하폐수의 부하량 측면에서 살펴보면, 대량의 하폐수가 반응조로 유입시, 하폐수 처리 장치 부피(Volume, V)에 대한 하폐수의 부하량(Food, F), 즉 F/V는 높아지는 반면, 이에 비해 처리 장치 내 미생물량(Microorganism, M)에 대한 하폐수의 부하량(Food, F), 즉 F/M은 낮다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 MBR 공정은 분리막을 통해 고액 분리 효율이 증대되므로 고농도의 미생물이 반응조로 반송되어 반응조내 미생물의 농도가 높기 때문이다. 즉, 일반적인 공정에 비해 상대적으로 많은 양의 하폐수가 유입되는 경우에 부피 대비 하폐수량은 일반 공정과 마찬가지로 많으나, 미생물량 대비 하폐수량은 일반 공정에 비해 적어진다. 따라서, MBR을 갖춘 공정에서는 보다 많은 양의 하폐수가 유입되어도(높은 F/V), 미생물량 대비 하폐수량(F/M)은 크게 증가되지 않으므로, 처리 능력이 향상된다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 또한 잉여슬러지 처리공정을 별도로 두어 슬러지를 분쇄 또는 산화함으로써 활성이 없는 상태나 미생물의 먹이로 사용가능한 유기물 형태로 만든 후 다시 생물반응조에 투입하는 것을 특징으로 한다. 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 생물반응조(1)로부터 나온 잉여슬러지가 잉여슬러지 처리조(3)로 유입되어 그 안에서 분쇄 또는 산화된 후 다시 생물반응조(1)로 유입되어 분해된다.

잉여슬러지의 분쇄 또는 산화의 수단으로서는, 초음파, 오존(O₃), 전자빔, UV, 마이크로웨이브, 과산화수소, 가열, 염소 등을 이용할 수 있다. 그 중에서도 특히, 초음파 또는 오존을 이용하는 것이 바람직하다.

도2 및 도3에 도시된 바와 같이, MBR(2)을 갖추고 있다고 하여도, 잉여슬러지의 완전 분해를 위한 공정이 결여되어 있다면 현재의 하폐수 처리 과정 중에 가장 많은 비용을 요하는 잉여미생물 처리 문제는 전혀 해결되지 않는다.

도2는 가압형 MBR(2)을 포함하는 하폐수 처리 공정으로서, MBR(2)로부터 분리된 미생물 등의 고체가 생물반응조(1)로 반송되므로 생물반응조(1) 내에는 일정한 미생물 농도를 유지할 수 있다. 한편, 생물반응조(1)로부터 잉여슬러지를 뽑아내어 슬러지 농축조(5)로 보내 농축한 후 약품 혼화조(6)로 보내 약품 처리한 다음 탈수조(7)를 통과시켜 폐기물 케이크를 형성하도록 한다.

도3은 침지형(또는 흡입형) MBR를 포함하는 하폐수 처리 공정으로서, MBR(2)이 생물반응조(1) 내에 침지되어 있는 것을 특징으로 한다. 생물학적 처리가 끝난 처리수는 MBR(2) 내의 막모듈을 통해 고액 분리된 후 상등액은 회수된다. 한편, 생물반응조(1)로부터 잉여슬러지를 뽑아 내어, 도2의 공정과 같이 슬러지 농축조(5), 약품 혼화조(6) 및 탈수조(7)을 거쳐 폐기물 케이크를 생성시킨다.

상기 도2 및 도3과 같이 MBR만을 갖춘 하폐수 처리 공정의 단점을 더욱 보완하기 위하여, 본 발명은 MBR 공정 뿐만 아니라 잉여슬러지 처리 공정을 포함한다.

상기 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하폐수 처리 공정으로 하폐수를 처리하는 실험을 수행한 결과, 잉여슬러지의 발생 문제는 100% 해소되었다. 그러나 초기 유출수의 COD_Cr및 색도가 약 50 내지 100% 증가함이 관찰되었다. 그러나 MBR 공정을 갖춘 하폐수 처리 공정의 수질이 수질 기준치의 약 1/10 내지 1/5에 불과한 것을 감안한다면, 잉여슬러지의 발생을 100% 억제함에도 불구하고 여전히 수질 기준치보다 현저히 낮은 안정적인 수질을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 잉여슬러지를 산화 분해시켜 얻어진 유기물은 원수로부터 유입되는 유기물보다 생분해 속도가 떨어지는 단점이 있었으나, 이는 MBR 공정을 통해 고농도의 미생물 농도로 유지함으로써 보완할 수 있었고, 기존의 MBR 공정보다 조금 더 긴 체류시간으로 운전함으로써 단점을 보완할 수 있었다.

본 발명에 따른 하폐수 처리 공정의 운전 인자는 다음과 같다.

- 생물반응조의 크기에 따른 잉여슬러지 처리조로의 슬러지 순환 유량

- 목표로 하는 생물반응조 내 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid)에 따른 슬러지 순환 유량

- 초음파의 밀도(Watt/m³)에 따른 잉여슬러지 처리조에서의 체류시간

- 가열온도 및 체류시간

- 오존 주입량

- 분쇄 또는 산화된 슬러지 투입량에 따른 생물반응조의 폭기량 조절 또는 체류시간 증대.

본 발명에 의한 하폐수 처리 공정 및 그 장치를 이용하면, 잉여슬러지(잉여미생물)의 발생을 원천적으로 방지할 수 있으므로, 하폐수 처리장 건설시 슬러지 처리 시설이 불필요하여 부지면적이 감소하고 비용이 현저히 절감된다. 뿐만 아니라 슬러지 매립 또는 소각으로 인한 지하수 오염 또는 대기 오염 등의 2차 오염의 문제가 없다. 또한 MBR 공정에 의해, 생물반응조 내부의 미생물 농도를 고농도로 유지할 수 있으므로 대량의 하폐수를 단시간에 처리할 수 있고, 산화 또는 분쇄된 슬러지의 폭기조로의 유입에 의한 폭기조 부하량 상승 및 슬러지 침강성 저하를 방지할 수 있다.

Claims (10)

1. 하폐수의 생물학적 처리 공정에 있어서,

   유입된 하폐수를 혐기성 미생물 및 호기성 미생물로 처리하는 생물학적 처리 공정;

   상기 생물학적 처리 공정을 거친 처리수를 분리막을 이용하여 고액분리하고 분리된 고형물질을 상기 생물학적 처리 공정으로 반송하는 막분리 공정; 및

   상기 생물학적 처리 공정으로부터 생산된 잉여슬러지를 분쇄 또는 산화시킨 후 다시 상기 생물학적 처리 공정으로 유입시키는 잉여슬러지 처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 막분리 공정은 상기 생물학적 처리 공정과 별도로 수행되는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 막분리 공정은 상기 생물학적 처리 공정 내에서 수행되는 침지형인 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잉여슬러지 처리 공정의 분쇄 또는 산화는 초음파, 오존, 전자빔, 자외선, 마이크로웨이브 및 과산화수소 중 어느 하나 이상을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형하폐수의 처리 공정.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 분쇄 또는 산화는 초음파 또는 오존을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 공정.
6. 하폐수의 생물학적 처리 장치에 있어서,

   유입된 하폐수를 혐기성 미생물 및 호기성 미생물로 처리하는 생물반응조;

   상기 생물반응조를 거친 처리수를 분리막을 이용하여 고액분리하고 분리된 고형물질을 상기 생물반응조로 반송하는 멤브레인 바이오리액터(MBR); 및

   상기 생물반응조로부터 생산된 잉여슬러지를 분쇄 또는 산화시킨 후 다시 상기 생물반응조로 유입시키는 잉여슬러지 처리조를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 멤브레인 바이오리액터(MBR)는 상기 생물반응조와 별도의 조로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 멤브레인 바이오리액터(MBR)는 상기 생물반응조 내에 위치하는 침지형인 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 장치.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잉여슬러지 처리조의 분쇄 또는 산화는 초음파, 오존, 전자빔, 자외선, 마이크로웨이브 및 과산화수소 중 어느 하나 이상을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 분쇄 또는 산화는 초음파 또는 오존을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 슬러지 무배출형 하폐수의 처리 장치.