KR20110020569A - 제올라이트를 함침시킨 발포폴리프로필렌 여재와 이를 이용한 생물막 여과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정용 여재 및 이를 이용한 생물막여과장치에 관한 것으로, 본 발명의 여재는 폴리프로필렌 레진과 제올라이트를 소정 비율로 혼합하여 발포 제조함으로써 얻어진다. 제올라이트를 여재에 함침시켜 줌으로써 오폐수에 포함된 암모니아성 질소에 대한 이온교환능력을 통한 질소제거, 미생물이 부착 성장하기 적절한 다공성과 표면적 증대, 그리고 정전기 현상이 제거된 우수한 효능을 갖는 생물막 공정용 여재를 얻을 수 있다. 이러한 여재를 생물막 여과장치에 적용함으로써 우수한 오폐수 처리 능력을 갖는 생물막 여과장치를 제작할 수 있다.

여재, 발포폴리프로필렌, 제올라이트, 생물막, 여과장치

Description

제올라이트를 함침시킨 발포폴리프로필렌 여재와 이를 이용한 생물막 여과장치 {EPP(Expanded polypropylene) media impregnated with zeolite and biofiltration apparatus using the same}

본 발명은 부상식 생물막 여재와 그의 제조방법 및 이를 이용한 생물막 여과장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 발포폴리프로필렌을 이용하여 제조된 여재(담체)를 생물막 공정에 적용하여 여재가 갖는 기능성을 강화하고, 오폐수의 정화처리 효율을 상승시킨 생물막 여과장치 및 그에 사용되는 발포프로필렌 여재에 관한 것이다.

일반적으로 여재(담체)를 사용하는 생물막 공정은 반응조 내에서 미생물의 집적도를 높여 반응 효율을 높일 뿐만 아니라, 유기물 부하에 대한 충격에도 우수한 성능을 발휘하고 있어 다양한 폐수처리 공정에 도입, 적용되고 있다. 유기물의 제거와 더불어 영양염류의 제거를 위한 공정 구성이 용이하여 많은 생물막 공정이 연구 개발되고 있다.

이러한 생물막 공정 중의 한 종류인 BAF(Biological Aerated Filter)는 담체에 미생물이 부착되어 생물막을 형성하도록 부상식 여재(담체)를 반응조에 충전하 여 생물학적인 처리와 물리적인 여과과정을 동시에 수행하여 질산성질소 및 BOD, COD, SS 등의 요염물을 제거하게 된다. BAF의 장점은 구조가 단순하고 부지면적이 적게 소요되며, 수질이 안정적이고, 부하변동에 강하다는 것이다. 운전 방식은 여재 충전층을 목적에 따라 적절히 분할하거나, 여재층에 공기를 공급하여 호기 조건을 형성하거나 무산소 조건을 만들어 줌으로써 유기물과 질소제거를 위한 고도처리 공정의 구성이 가능하게 해 주는 것이다. 다량의 미생물을 여재에 부착시킴으로써 짧은 체류시간에 최대의 처리 효율을 얻을 수 있으며, 동절기 및 부하변동에도 안정적으로 처리 수질을 확보할 수 있다.

이러한 생물막 공정에 사용되는 여재로서는 스폰지형, 섬모상형, 관형, 구형 등의 형태를 가지고, 재질로는 고분자 수지로 폴리에틸렌, 폴리비닐알콜, 폴리설폰 등과 무기 재질로 입상 활성탄, 화산재, 세라믹 등이 이용되고 있다. 여재를 이용하는 방식에 따라 공정 구성과 운전 방법을 달리하고 있으나, 기본적인 기능은 여재 표면에 생물막을 형성시키는데 중점을 두고 있다. 아울러 여재에 생물막을 형성시켜야 한다는 전제 조건이 내구성이나 경제성보다 앞서 있어서 사용에 다소 제한성을 갖고 있다.

부유식 생물막 공정에 여재로서 사용하기 위하여 개발된 소재로는, 단순 발포 수지를 사용하는 경우, 담체의 기능을 향상시키기 위하여 PE, PU에 제올라이트를 코팅하거나, 화산재에 양이온 고분자를 코팅하여 기능성을 강화하는 경우, 발포 수지를 거칠게 표면처리 하여 생물막 형성이 용이하도록 하여준 경우 정도에 그치고 있다. 그런데, 위와 같은 제품은 내구성과 기능성이 지속적으로 사용함에 따라 점차 약화된다는 문제점을 가지고 있다.

통상적으로, 상기한 바와 같이 부유식 생물막 공정에 사용되는 발포수지의 제조에는 폴리프로필렌과 더불어 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 등이 사용되고 있다. 그런데, 발포폴리프로필렌 제조방법에 따라 고안된 제품을 제조하는 경우, 발포수지 제품이 복합재료(폴리프로필렌 레진 및 각종 첨가제)로 구성됨에 따라 원료의 혼합과정에서 재질의 불균일성을 가져오게 되며, 따라서 발포과정에서 원하지 않는 변형이 발생하여 원하지 않는 형태의 제품이 만들어지게 된다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하면서 고분자 수지에 활성탄을 혼합하여 만들어지는 발포여재(특허 제0464243호)는 정전기가 발생하여 현장에 투입과정에서 작업이 곤란하고 때로는 화재 발생위험 문제를 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고분자 수지에 무기재료 혼합공정과 발포공정을 최적화하여 여재를 제조하며, 생물막 여재에 암모니아성 질소 이온교환에 대한 기능성을 제공하고, 부여된 기능성을 지속적인 사용 시에도 내구성을 잃지 않는 여재 및 이를 이용하여 오폐수를 처리함으로써 보다 경제적이고 효율적인 부상식 생물막 여과장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생물막 공정용 여재는, 폴리프로필렌 레진과 분말 제올라이트를 소정 비율로 혼합하여 제조된다. 이러한 생물막 공정용 여재는, 폴리프로필렌 레진과 분말 제올라이트를 소정 비율로 혼합하여 제올라이트 마스터배치를 제조하는 단계, 및 상기 제올라이트 마스터배치를 사출하고 발포하여 발포 폴리프로필렌 여재를 제조하는 단계를 통하여 제조된다.

여기에서 상기 소정 비율은, 상기 폴리프로필렌 레진 100 중량부에 대하여 상기 분말 제올라이트 1 내지 15 중량부의 비율이 바람직하다.

상기 분말 제올라이트는 그 입도가 10~300㎛ 크기인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따르면, 상기와 같은 생물막 공정용 여재를 구비한 오폐수 정화용 생물막 여과장치가 제공된다.

본 발명은 분말 제올라이트가 함침된 발포폴리프로필렌을 사용한 생물막 여과장치를 구성하여 줌으로써 오염물 및 암모니아성 질소 제거하는 기능성을 향상시켜주고, 여재의 내구성을 강화하여 경제성을 갖는 우수한 생물막 여과재를 제공하게 된다.

본 발명에 따른 생물막 공정용 여재의 제조방법은, 폴리프로필렌 레진과 분말 제올라이트를 소정 비율로 혼합하여 제올라이트 마스터배치를 제조하는 단계, 및 상기 제올라이트 마스터배치를 사출하고 발포하여 발포 폴리프로필렌 여재를 제조하는 단계를 포함한다.

상기 소정 비율의 바람직한 예는 상기 폴리프로필렌 100 중량부에 대하여 상기 분말 제올라이트 1 내지 20 중량부의 비율이다. 이러한 비율에서 분말 제올라이트의 하한선인 1 중량부는 이를 미달할 경우 함침에 따른 제올라이트의 기능 발현이 되지 않아 기능성이 미비한 최소 수치이며, 상한선인 20 중량부는 이 비율을 초과할 경우 마스터 배치 및 EPP(Expanded polypropylene) 여재의 제작이 불가능한 최대 수치이다.

상기 분말 제올라이트는 그 입도가 10~300㎛ 크기인 것이 바람직하다. 이러한 수치에서 하한선인 10㎛ 는 이보다 작을 경우 마스터 배치 및 EPP(Expanded polypropylene) 여재의 제작이 불가능한 최소 수치이며, 상한선인 300㎛ 는 이보다 클 경우 혼합과 발포 과정에서 재질의 불균형을 야기하여 변형이 발생되는 최대 수치이다.

이러한 제조방법에 의하면, 분말 제올라이트를 여재에 함침시켜 줌으로써 오폐수에 포함된 암모니아성질소에 대한 이온교환과 미생물이 부착성장하기 적절한 다공성과 표면적을 증대시킨 우수한 효능을 갖는 생물막 공정용 여재가 제공된다(도 1 및 도 2 참조).

한편, 본 발명에 따르면, 이와 같이 제조된 여재를 이용하여 오폐수를 정화하는 생물막 여과장치가 제공된다(도 3).

도 3 에 도시된 생물막 여과장치는, 유입수조(10), 유입펌프(61), 반응조(20), 처리수 저류조(30), 역세척 배출수 저류조(40), 내부반송펌프(63), 역세척수공급펌프(65), 송풍기(50) 등으로 구성되어 있다.

유입수조(10)는 처리될 폐수가 일시 저장되는 수조이며, 유입펌프(61)가 동작함에 따라 유입수조(10)에는 처리될 폐수가 유입된다. 유입수조(10)에 유입된 폐수는 반응조(20)에 상향류로 유입된다.

반응조(20)는 폐수가 정화되는 수조로서, 반응조(20)에는 전술한 바와 같은 공정에 의해 제조된 분말 제올라이트가 함침된 발포폴리프로필렌 여재가 충진되어, 반응조(20)에 유입되는 폐수가 생물막 공정에 의해 정화된다. 도 3 에 도시된 바와 같이 반응조(20)는 4 개의 부분 영역(21, 22, 23, 24)(제 1 영역(21) 내지 제 4 영역(24))으로 나눌 수 있다. 제 1 영역(21)과 제 2 영역(22)사이, 그리고 제 2 영역(22)내지 제 4 영역(24)은 실질적으로는 구획되어 있지 않고 송풍기(50)와 연결된 각 공기유입관(80, 91, 93, 97)에는 밸브(71, 73)가 설치되어 있다.

유입수조(10)를 통해 반응조(20)로 유입된 폐수는 제 1 영역(21)을 거쳐 제 2 영역(22)으로 유입되고 여재 충진역역을 거치면서 폐수 내의 SS(Suspended Solid : 고형물)가 걸러지고 이때 여재 충진층에는 고형물의 슬러지가 누적되게 된다. 고형물이 걸러진 폐수는 제 2 영역(22), 제 3 영역(23) 및 제 4 영역(24)을 거쳐 정화되고, 깨끗하게 정화된 폐수는 처리수 저류조(30)로 유입된다.

이때, 제 4 영역(24)을 통해 유출되는 폐수의 일부(대략 절반 정도)는 운전조건과 처리 목적에 따라 내부반송펌프(63)에 의해 다시 제 1 영역(21)으로 반송되어 제 1 영역(21)에서 제 4 영역(24)를 거쳐 정화되고, 깨끗하게 정화된 폐수는 처리수 저류조(30)로 유입된다.

이때, 제 4 영역(24)을 통해 유출되는 폐수의 일부(대략 절반 정도)는 운전조건과 처리 목적에 따라 내부반송펌프(63)에 의해 다시 제 1 영역(21)으로 반송되어 제 1 영역(21)에서 제 4 영역(24)을 거쳐 재 정화된다.

통상적으로 폐수를 정화하는 데에는 폐수 내의 NH₃-N(암모니아성질소)를 NO₃-N(질산성질소)로 질산화 하는 질산화공정(호기성공정)과, NO₃-N(질산성질소)를 N₂(질소가스)로 탈질시키는 탈질공정(혐기성 공정 또는 무산소 공정)이 수행된다. 송풍기(50)는 세 개의 호기공정용 공기공급관(80, 91, 93)을 통해 각 영역에 공기를 공급한다. 이때, 호기 공정용 밸브(71)는 열려있고 역세척 공기 공급용 밸브(73)는 닫혀 있다. 이에 따라 제 2 영역(22), 제 3 영역(23)과 제 4 영역(24)의 일부 또는 전체에는 공기가 공급되어 전술한 공정이 수행된다. 또한, 질산화와 탈질 반응을 하나의 장치에서 수행하도록 운전하는 경우, 제 2 영역(22)에는 공기가 공급되지 않고, 이에 따라 제 2 영역(22)에서는 내부 반송 펌프(63)를 통해 반송된 폐수에 대한 탈질공정이 수행된다. 이와 같은 과정이 반복됨에 따라 폐수의 정화가 이루어진다.

한편, 여재 충진층에 고형물이 누적되면 이를 제거하기 위한 역세척 공정이 수행된다. 역세척 공정에서는, 먼저 호기공정용 밸브(71)가 닫혀 있고 역세척 공기 공급용 밸브(73)가 열려있도록 제어된 상태에서 송풍기(50)가 여재 충진층 하부에 송풍을 하여 여재 충진층에 누적된 고형물의 슬러지를 떨어뜨린다. 그런 다음, 역세척수 공급 펌프(65)가 처리수 저류조(30) 내의 물을 하향류로 반응조(20)에 공급함으로써 제 4 영역(24)으로 유입된 물이 제 3 영역(23), 제 2 영역(22)을 거쳐 제 1 영역(21)방향으로 유입되고, 이에 따라 제 1 영역(21)내의 슬러지를 함유한 역세척수가 역세척 배출수 저류조(40)로 유입된다.

역세척이 완료되면 다시 전술한 바와 같은 폐수 정화 공정이 수행된다.

한편, 폐수에 함유된 오염물의 종류나 양에 따라 호기성 공정인 질산화 공정과 혐기성 공정인 탈질 공정의 비중을 달리할 필요가 있을 수도 있다. 이러한 경우에는 호기성 공정용 공기공급관(80, 91, 93)을 제 4 영역(24)에서만 설치하거나, 혹은 각 호기성 공정용 공기공급관에 개별적으로 밸브를 설치하여 공기가 공급되는 영역과 공기가 공급되지 않는 영역의 비율을 가변시키는 방식을 채용할 수 있을 것이다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명은 분말 제올라이트가 함침된 발포폴리프로필렌을 사용한 생물막 여과장치를 구성하여 줌으로써 오염물 및 암모니아성 질소 제거하는 기능성을 향상시켜주고, 여재의 내구성을 강화하여 경제성을 갖는 우수한 생물막 여과재를 제공하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범 위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 제올라이트가 함침된 발포폴리프로필렌 여재를 기존의 제품과 비교한 사진,

도 2 는 제올라이트가 함침되지 않은 경우와 함침된 경우의 여재의 표면을 비교한 사진,

도 3 은 본 발명에 따른 제올라이트가 함침된 발포폴리프로필렌 여재를 이용하는 생물막 여과장치의 개략도이다.

Claims (7)

1. 생물막 공정용 여재에 있어서,

   폴리프로필렌 레진과 분말 제올라이트가 소정 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 생물막 공정용 여재.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 소정 비율은, 상기 폴리프로필렌 레진 100 중량부에 대하여 상기 분말 제올라이트 1 내지 20 중량부의 비율인 것을 특징으로 하는 생물막 공정용 여재.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 분말 제올라이트는 그 입도가 10~300㎛ 크기인 것을 특징으로 하는 생물막 공정용 여재.
4. 폴리프로필렌 레진과 분말 제올라이트를 소정 비율로 혼합하여 제올라이트 마스터배치를 제조하는 단계, 및

   상기 제올라이트 마스터배치를 사출하고 발포하여 발포 폴리프로필렌 여재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물막 공정용 여재 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 소정 비율은, 상기 폴리프로필렌 레진 100 중량부에 대하여 상기 분말 제올라이트 1 내지 20 중량부의 비율인 것을 특징으로 하는 생물막 공정용 여재 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 분말 제올라이트는 그 입도가 10~300㎛ 크기인 것을 특징으로 하는 생물막 공정용 여재 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 생물막 공정용 여재를 구비한 오폐수 정화용 생물막 여과장치.

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