비중이 상이한 여재가 각각 충진된 복수의 여재층을 구비한 오폐수 처리장치 {Apparatus for purifying wastewater with plural filtering layers respectively filled up with filtering media of different specific gravity}

도 1은 단층 하향류식 여과장치의 여과깊이에 따른 고형물 억류형태를 나타낸 도표,

도 2는 종래 다층 하향류식 여과장치의 여과 깊이에 따른 고형물 억류형태를 나타낸 도표,

도 3은 종래 단층 및 다층 하향류식 여재내의 질소가스 억류상태를 나타낸 도면,

도 4는 단층 및 다층 상향류식 여재내의 원활한 질소가스 유출상태를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 다층생물막여과공정을 이용한 오ㆍ폐수 고도처리장치를 나타낸 개략 도면,

도 6은 도 5의 오ㆍ폐수 고도처리장치를 이용한 역세척 과정을 나타낸 개략 도면.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

1: 유입관 9: 유출관

10: 반송관 11: 역세 슬러지관

2: 하부집수장치(역세공기 균등분배 및 상승속도 증가)

4: 역세공기 주입관 5: 공기주입 산기관

3: 고정상 여재 6: 부상식 여재

7: 스트레이너 8: 처리수 및 역세척수조

본원의 발명은 비중이 상이한 여재가 충진된 다층생물막여과공정을 이용한 오ㆍ폐수 처리장치에 대한 기술이다.

지금까지의 여과장치는 비중이 물보다 큰 단일 여재를 이용한 하향류식 여과장치로써 고형물의 제거가 여과지 표면에서만 이루어져(도1 참조) 표면에 억류된 고형물로 인하여 수두손실이 급속하게 증가하여 여과지속시간이 짧아지고, 억류된 고형물의 제거를 위한 빈번한 역세로 인하여 운전이 자주 중단되고 역세척수량이 증가하는 문제점을 나타내었다. 이후 이러한 문제를 해결하기 위하여 하향류식 다층 여과장치가 개발되었다. 하향류식 다층여과지에서의 고형물 억류상태는 도 2와 같으며 심층여과가 이루어져 여과지속시간이 길어지는 장점이 있다.

근래에 여과장치는 질소제거를 위한 탈질여과장치(Denitrifying filter system)로 사용되고 있는데 하향류 탈질여과장치의 경우 빠른 탈질속도와 고형물의 추가적인 제거로 인하여 미국의 경우 많이 사용되고 있다. 그러나 이러한 하향류식 탈질여과장치의 경우 탈질시 발생하는 질소가스(화학식 1)의 배출방향과 물의 흐름방향이 반대인 관계로(도 3 참조) 질소가스가 여재 내에 억류되어 고형물과 같은 효과를 나타내어 손실수두를 급격히 증가시킨다. 이러한 이유로 하향류식 여과장치의 경우 여재 내에 억류된 질소가스를 탈기시키기 위한 탈기조작을 자주 실시함으로써 운전이 연속적이지 못하고 탈기를 위한 역세공기 및 역세수가 증가하는 단점을 가진다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 단일여재 상향류식 탈질여과장치가 개발되었다. 질소가스의 배출방향과 물의 흐름방향이 같아 손실수두가 증가하는 단점은 없어졌지만(도 4 참조) 단일 여재로 구성될 경우 여재층의 하부에서 여과로 인한 수두손실이 급속하게 증가하기 때문에 잦은 역세척이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 상향류식 다층여과장치가 개발되었다(USP 6,605,216 B1). 이 장치에서는 비중이 물보다 큰 여재를 고정상으로 구성하고 있어서 상향류에 의한 여재 팽창을 방지하기 위한 장치와 역세시 여재팽창을 위한 기계장치가 추가로 필요하게 되므로 운전이 복잡한 단점을 가질 뿐만 아니라 단순히 여과를 위한 장치로서 질산화 및 탈질을 통한 질소제거는 불가능하다.

이러한 단점을 보완하고자 비중이 물보다 작은 부상식 여재를 이용한 상향류식 다층여과장치(일본특허공개 2001-269688)가 개발되었다. 이 공정은 비중과 직경 이 다른 부상식 여재를 사용하여 상부에는 비중과 크기가 작은 여재를 사용하고 하부에는 비중과 크기가 상부보다 큰 여재를 사용하여 하부에서 탈질산화가 이루어지고 상부에서는 질산화가 이루어지도록 하였지만, 역세 후에 하부에 큰 여재가 상부에 작은 여재가 자연적으로 배열되기 위한 여재의 크기 및 비중이 제한되어 다양한 여재 구성이 불가능하고 인 제거가 어려운 단점이 있었다. 또한 부상식 여재를 이용하는 다층생물막여과공정은 역세시 여재팽창과 여재유실을 방지하기 위한 하부공간이 과도하게 요구되어 공정의 높이가 과도하게 증가되어 시공 및 유지관리의 어려움이 있었다.

일반적으로 상향류식 여과지의 수두손실은 유입 고형물 부하량의 영향을 크게 받으며 여재층 하단부에서 주로 발생한다. 그리고 상부의 질산화 미생물은 부착성 미생물이 성장하므로 여재와 여재가 서로 점액질에 의해 붙어서 역세척시 충분한 여재 팽창이 어렵기 때문에 손실수두의 증가를 가져오며, 원활한 역세척을 위해서는 상부에서 하부로 충분한 역세 선속도, 역세척 공기상승 속도가 필요하고 상부 여재층이 팽창 및 교란되기 위해서는 총 여과지 높이의 일정부분에 해당되는 여재가 없는 빈 공간이 필요하다. 또한 비중과 직경이 다르나 비중이 물(ρ= 1)보다 작은(ρ< 1) 부상식 여재만을 사용하여 질산화 및 탈질산화 구간을 나누어 질소를 제거기 때문에 역세를 위한 하부공간이 많이 소요되고 역세척시 효율적 여재 팽창이 어렵다. 또한 큰 역세 선속도가 필요한 하부 여재층에서 역세수 선속도가 감소되어 효율적인 역세척을 기대하기는 매우 어려우며 역세를 위한 선속도의 증가가 요구되고 이에 따라 과량의 역세수가 소요되는 단점이 있었다. 부상식 여재만을 이용한 다층생물막여과지에서 부착성인 강한 질산화 미생물이 상부여재의 비중이 본래의 비중보다 훨씬 커지므로 역세척시 여재의 팽창과 교란이 매우 어렵게 될 뿐만 아니라 하부여재와 상부여재가 제자리로 회복이 어렵게 되어 여재의 상ㆍ하부 치환이 일어나 질산화 미생물이 무산소조건으로, 탈질미생물은 호기조건으로 이동되어 활성이 저하되어 질산화, 탈질반응이 효율적으로 이루어지지 못해 유출수의 수질악화를 가져온다.

더욱 중요한 것은 고도처리를 위해 응집제를 주입하여 인을 제거할 경우 응집제에 의해 상ㆍ하부의 여재가 서로 부착되어 손실수두가 매우 빨리 증가하고 역세가 효율적으로 이루어지지 않아 역세 주기가 매우 짧아지고 역세 주기의 감소로 인해 역세척 수량의 증가와 함께 잦은 역세공기 주입에 따른 탈질미생물의 활성저하로 처리수질은 더욱 악화된다.

그러므로 이러한 단점을 개선하지 않을 경우 손실수두 증가, 역세척수 증가, 여재층의 치환, 미생물 활성저하 등으로 인해 질소 및 인을 제거하기 위한 고도처리가 더욱 어려워진다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 하향류식 여과장치와 상향류식 여과장치와 여재층의 종류에서 발생하는 단점을 보완하고 부상식 여재 하부에 고정상 여재층을 배열함으로써 역세를 효율적으로 수행할 수 있게 하여 기존 공정보다 손실수두 감소, 역세척주기 감소, 역세척수량 감소, 질소 및 인 제거 능력 증가 등 운전이 쉽고 성능을 효율적 으로 증가시킬 수 있도록 한 오ㆍ폐수 고도처리장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오폐수 처리장치는, 비중이 물보다 큰 고정상 여재를 포함하여 구성된 하부여재층; 상기 하부여재층의 상부에 설치되며, 비중이 물보다 작은 부상식 여재를 포함하여 구성된 상부여재층; 상기 상부여재층의 상부에 배치되며, 역세척수조로서 사용되는 처리수조; 상기 하부여재층에 유입수를 공급하는 유입관; 및 상기 하부여재층에 역세척시 역세공기를 주입하는 역세공기주입관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 하부여재층의 여재는 그 직경이 상기 상부여재층의 여재보다 크도록 구성된다.

상기 하부여재층과 상부여재층의 여재의 비중과 크기의 바람직한 예로서, 상기 하부여재층의 여재는 비중이 1.1~5.0 g/cm ³ 이고 직경이 5.0~30mm 이며, 상기 상부여재층의 여재는 비중이 0.01~0.9g/cm ³ 이고 직경이 1.0~5mm 이다.

한편, 상기 하부여재층와 상기 상부여재층 사이에는 상기 상부여재층의 높이의 10~30% 의 공간이 형성된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 반응조 벽체와 하부 여재층 사이에 소정의 공간을 두어, 역세척시 단면축소에 의하여 역세척수의 하강속도를 증가시켜 상ㆍ하부 역세척 효과를 증가시킨다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세 하게 설명한다.

본 발명(도 5)은 상기 목적을 달성하기 위하여 상부와 하부로 분리되어 있는 다층생물막 여과공정으로 유입 - 무산소 - 호기 - 반송 및 유출수조로 구성되며 상부의 유출수조는 역세척시 세척수로 사용되고 질소제거효율을 높이기 위해 내부반송을 실시한다.

상기 흐름도와 같이 도 5는 본 발명의 상향류식 다층생물막여재의 오ㆍ폐수처리를 나타낸 개략 도면이다. 본 발명의 구조는 유입관(1), 고정상 여재를 포함하여 구성되는 하부여재층(3), 공기주입 산기관(5), 부상식 여재를 포함하여 구성되는 상부여재층(6), 스트레이너(7), 처리수조(8), 처리수관(9)을 각각 순차적으로 하부로부터 상방으로 배치하여 구성되며, 처리수를 다시 유입관(1)으로 반송시키는 반송관(10)과 역세척시 역세공기를 주입하는 역세공기주입관(4), 역세공기 균등분배 및 속도상승을 위한 하부집수장치(2)로 이루어져 있다.

이상과 같은 구조로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 5에서와 같이 오ㆍ폐수는 상향류로 유입관(1)을 거쳐, 하부집수장치(2)를 통해 비중과 직경이 상부여재층(6)의 여재보다 큰 고정상 여재로 구성된 하부여재층(3)을 거치면서 1차 여과 및 탈질산화를 수행한다. 이러한 하부 여재층(3)은 상부보다 공극이 커서 고형물 포집량이 커지므로 탈질산화를 수행함과 동시에 응집제를 주입하더라도 손실수두 증가율을 크게 감소시킬 수 있으며, 간단한 역세로 인해 역세수량 감소와 함께 역세주기를 크게 감소시킬 수 있다.

하부 여재층(3)을 거치고 상부 여재층(6)에서 잔여 미세 고형물을 여과하고 공기주입 산기관(5)에서 공급되는 공기를 이용하여 호기성 미생물에 의해 잔여 유기물을 이용하여 암모니아를 질산화시킨다.

상부 여재층(6)에서는 2차 여과 및 질산화 기능을 수행하여 최종 처리수는 여재가 유출되지 않도록 설치된 스트레이너(7)를 통해 처리수관(9)으로 유출된다. 그리고 질산화된 질산성 질소를 제거하기 위해 다시 유입관(1)에 반송을 함으로써 질소제거효율을 증가시키며, 상부에 있는 처리수조(8)는 역세척시 역세척수로 사용된다.

이와 같은 방식으로 운전되면서 일정기간 운전에 의하여 고형물 부하량의 증가 등으로 여과상태가 불량하여 역세척이 필요할 경우 오ㆍ폐수 유입관(1)의 밸브를 닫고 역세공기주입관(4)을 통해 역세공기를 주입하여 유로가 개선된 하부집수장치(2)를 통해 역세공기 상승속도를 증가시켜 하부의 고정상 여재층(3)을 팽창시켜 역세척이 원활하게 이루어진다. 그리고 하부로부터 유입되는 역세공기에 의해 하부 여재층(3)의 팽창 및 역세척과 함께 부착성 미생물이 성장하는 상부 여재층(6)을 교란시킨다. 그리고 공기가 상부로 빠져나간 후에 상부에 있는 역세척수조(처리수조 8)에서 하부로 역세척수가 유입되어 상부 여재층(6)을 팽창 및 교란시켜 여재에 붙어있는 고형물을 하부로 세척하여 역세척 슬러지관(11)을 통해 배출된다.

한편, 전술한 바와 같이 본 발명에서는 비중과 직경이 상이한 여재를 상부와 하부로 분리ㆍ배치하였다. 이때, 하부 여재층(3)의 여재는 비중이 물(비중 ρ= 1) 보다 크고(ρ> 1) 상부 여재층(6)의 여재는 비중이 물보다 작다(ρ< 1).

보다 구체적으로는, 하부 여재층(3)은 비중이 1.1~5.0 g/cm ³ 이고 직경이 5~30mm 인 고정식(침지식) 여재로서 구성됨으로써, 유입수 내에 고형물이 큰 입자를 여과하고 다량의 고형물을 포집함으로서 손실수두 증가 방지 및 탈질미생물을 충분히 확보할 수 있으며, 또한 폐수의 성상에 맞게 다양한 크기 및 비중의 조합을 구성할 수 있다. 또한, 상부 여재층(6)은 비중이 0.01~0.9g/cm ³ 이고 직경이 1~5mm 인 부상식 여재로서 구성되어, 하부에서 제거되지 못한 미세 입자의 제거와 함께 질산화를 수행한다.

본 발명에서는 손실수두가 주로 발생하는 하부에서 짧은 시간에 간단한 공기 주입에 의한 슬러지 배출만으로도 운전이 가능하므로 역세 주기를 감소시킴으로써 역세 횟수 및 역세수 절감 효과와 성장속도가 느린 질산화 미생물을 다량 확보할 수 있으므로 고형물 제거와 함께 질소 및 인을 제거할 수 있는 우수한 고도처리기술이다.

또한 본 발명은 기존의 공정에서 가장 큰 문제점으로 지적되었던 역세척 문제를 보완한 공정(도 6 참조)으로서, 유입수가 유입되는 하부집수장치(2)의 단면적을 감소시키기 위해 하부집수장치(2)를 관형상으로 설치하여 역세공기의 상승속도를 증가시켜 역세척을 원활하게 하였으며, 도 5와 같이 전체적인 반응조 벽체와 하부여재층(3) 벽체 사이에 공간을 두어 역세척시 상부에서 하부로 내려오는 역세척수의 하강속도를 증가시킴으로서 난류를 형성하여 여재에 부착된 미생물을 효율 적으로 탈리시킴으로써 원활한 역세척이 이루어지도록 하였다.

그리고 상부여재층(6)과 하부여재층(3) 사이에 상부여재층(6) 깊이의 약 10~30% 의 공간을 두어 역세척시 상부여재층(6)에서의 교란 및 팽창을 원활하게 할 수 있도록 하였다. 이렇게 상ㆍ하부의 여재층(6, 3)을 분리함으로써 여과지속시간의 증대, 역세척 주기 감소 및 역세척수 감소등의 효과를 얻을 수 있으며, 외부탄소원이나 응집제를 주입하여 발생하는 손실수두 문제를 효과적으로 해결하므로 질소 및 인제거 효과가 매우 높게 된다.

이러한 다층생물막여과공정은 탈질산화 성능과 여과 능력, 외부탄소원 및 응집제 주입에 의한 질소 및 인 제거, 역세척 등 기존의 공정에서 지적된 문제점을 모두 해결할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같은 하부 여재와 상부여재의 비중과 크기는 다음과 같은 점을 고려하여 결정되었다.

아래의 표 1은 유입 SS 농도가 30 mg/l 이하일 때 하부여재로 사용되는 고정식 여재의 비중에 따른 평가를 나타낸 것이고 표 2는 크기에 따른 평가를 나타낸 것이다.

하부여재로 사용되는 고정식(침지식)여재는 비중이 1 g/cm ³ 보다 작게 되면 부상식 여재와 완전한 상분리가 어려워지므로 부상식 여재와 교란 및 치환되어 처 리수질을 악화시킬 뿐만 아니라 고정상 여재에 의해 역세척 슬러지 배관의 폐색과 함께 여재유출이 발생할 수 있다. 또한 비중이 5g/cm ³ 이상으로 너무 커지게 되면 역세척시 여재 팽창이 어려워 역세척이 불가능해지거나 여재 팽창을 위한 고압의 역세척 공기가 필요하게 되어 고압의 공기에 의해 처리수질의 악화를 가져오게 된다.

여재크기가 5 mm미만일 때 공극이 작아져 하부여재층의 슬러지 폐색에 의해 손실수두가 급격히 증가하게 되어 운전이 곤란해지며, 여재크기가 30 mm 이상일 때 공극이 너무 크게 되어 수질악화와 함께 탈질미생물의 확보가 어려워지므로 본래의 여과 및 탈질산화의 수행이 불가능해진다. 그러므로 본 고안에서 고정상 여재로서 사용할 수 있는 기준은 여과, 탈질산화, 역세척을 모두 고려하여 비중 1.1~5.0 g/cm ³ 이고 직경 5~30 mm를 사용하였다.

표 3은 유입 SS 농도가 30 mg/l 이하일 때 상부 여재층에 사용되는 부상식 여재의 비중에 따른 평가를 나타낸 것이고 표 4는 크기에 따른 평가를 나타낸 것이다.

상부 여재층은 부상식 여재층으로 비중이 1보다 작아야 본래의 기능을 하게 된다. 하지만 비중이 0.9 g/cm ³ 이상일 경우 부상능력이 현저히 저하되어 역세척시 여재가 팽창될 때 여재 유출이 발생되며 역세척 후 회복속도가 느리게 되어 처리수질의 악화를 초래한다. 또한 비중이 0.01 g/cm ³ 이하일 경우 비중이 너무 작아 부력에 의한 상승속도가 너무 커지므로 상부에 압력을 증가시켜 공정에 무리를 가할 수 있으며, 비중이 너무 작아 역세척시 여재팽창이 어렵게 되어 역세척이 불가능해진다.

여재 크기가 1 mm 이하일 경우 여재가 상부 유출수와 함께 유출될 수 있으며, 여재 크기의 감소로 인한 공극이 현저히 감소하여 슬러지 폐색이 빈번해져 손실수두를 증가시키게 되어 역세척 주기가 짧아지게 된다. 또한 5 mm이상일 경우 공극이 너무 커져서 고형물이 쉽게 유출되어 유출수의 수질을 현저히 저하시킨다.

그러므로 본 고안에서 부상식 여재로서 사용할 수 있는 기준은 여과, 질산화, 역세척을 모두 고려하여 비중 0.01 - 0.9 g/cm ³ 이고 직경 1 - 5 mm를 사용하였다.

한편, 역세시에는 상부여재를 확장하여 틈을 벌려줌으로써 여재와 여재를 확장시켜 주며, 이와 같은 과정에 있어서 상기 하부여재층과 상기 상부여재층은 상호 이격되도록 배치되어 도 5 에 도시된 바와 같이 하부여재층과 상부여재층 사이에 소정 크기의 공간이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 실험 결과에 따르면 상기 공간의 크기는 상기 상부여재층의 높이의 10~30% 가 되도록 하는 것이 효율을 가장 높일 수 있다.

표 5는 유입유량 0.72 m ³ /hr, 고형물 부하량 0.005 kg/m ³ /d, 선속도(LV) 2 m/hr에서 상기 발명된 부상식 여재와 고정식 여재를 사용한 다층생물막여과장치와 기존의 부상식 여재만을 사용한 다층여과에 대해 하수를 대상으로 비교한 것이다. 운전결과, 상기 발명된 다층생물막여과장치가 기존의 여과지보다 역세척 및 처리효율 측면에서 뛰어난 것으로 나타났다.

본 발명에 따르면, 비중과 직경이 상이한 여재를 사용함으로써 하부 여재층에서 다량의 탈질미생물의 확보와 함께 상부 여재층의 질산화 미생물을 확보할 수 있고 난류형성을 통한 효과적인 역세척으로 인해 억류된 고형물을 용이하게 제거 가능하므로 타 공정에 비해 역세주기 감소, 여과유지시간 증대, 역세척수량 감소, 높은 질소ㆍ인 제거 효과 등을 갖는 효율적인 고도처리 공정이 제공된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.