KR102564135B1 - 막 폭기 층상 생물막 반응기 및 그 층상 생물막 반응기 활성화 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 막 폭기 층상 생물막 반응기 및 그 층상 생물막 반응기 활성화 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멤브레인을 폐수 처리 반응조에 침지후 멤브레인 내부에 공기를 공급하여 외면에 형성된 생물막을 통해 폐수 내의 유기화합물, 암모니아를 처리하는 막 폭기 층상생물막 반응기로서, 막형태를 갖고 외면에 층상생물막이 생성되는 멤브레인; 및 상기 멤브레인외 외면을 둘러싸며, 상기 멤브레인의 길이방향으로 서로 특정간격 이격되어 나권형으로 감겨지는 나권형 돌출단;를 포함하여, 생물막 형성속도와 부착성을 향상시키고 생물막에 가해지는 전단력을 감소시켜 탈리를 방지하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 막 폭기 층상 생물막 반응기 및 그 층상 생물막 반응기 활성화 장에 관한 것이다. 보다 상세하게는 폐수 내 암모니아와 유기물질 제거를 위한 막 폭기 층상생물막 반응기(membrane aerrated stratified biofilm reactor)와, 그 층상생물막 반응기를 활성화하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적인 막 폭기 생물막 반응기는 중공사형 모듈, 관형 모듈, 나권형 모듈 등의 형태를 갖는 막(membrane)을 폐수처리 반응조 내에 침지 후 막 내부로 공기를 공급함으로써 막 외면에 확산되는 공기 중의 산소와 폐수 내 암모니아 및 유기물질 에 의해 질산화 반응 미생물과 탈질화 반응 미생물 및 호기성 산화 반응 미생물이 막 외면에 증식하여 부착생성하게 된다.
이와 같이 생물막의 미생물을 이용하여 폐수 내 유기화합물, 암모니아 등의 전자 공여체를 산화하여 CO2, H2O, N2 형태의 최종산물로 처리하는 막 폭기 생물막 반응기는 산소공급을 위한 장치 및 동력소비가 여타 생물학적 처리공정과 비교하여 작은 장점이 있으나 막 외면에서의 생물막 탈리(sloughing), 독립영양 미생물(질산화 공정)의 느린 성장속도로 인한 폐수처리시설 초기운전 정상화, 적정한 생물막 형성 및 유지의 어려움과 같은 문제점이 있다.
또한 막 폭기 층상생물막 반응기 외면의 층상생물막 반응에 의해 폐수 내 암모니아와 유기물질(COD)이 제거 되는데 이때 층상생물막의 탈리는 처리효율 저하로 이어질 수 밖에 없으며, 더우기 생물막과 막 표면과의 부착성이 충분하지 않을 경우 일부 탈리가 진행되면 주변 생물막에 전단력을 증가시켜 큰 면적으로 탈리될 가능성이 크다. 생물막의 탈리가 심할 경우 그 피해는 성장속도가 느린 질산화 미생물에 치명적이다. 경우에 따라서는 호기성 막 표면의 질산화 미생물이 성장속도가 더 빠른 종속영양 미생물로 대체되어 층상생물막 반응체계(질산화 후 탈질)가 파괴될 우려가 있다.
그리고 종래와 같이 막의 상부측 또는 하부측 중 한쪽으로만 공기를 주입하는 방식으로 막 폭기 층상생물막 반응기를 운영할 시에는 공기유입측의 산소농도가 공기토출측의 산소농도보다 상대적으로 높아 산소전달속도가 달라져 막 전체에 걸쳐 균등한 생물막 두께를 형성하기 어려우며, 생물막 두께 관리를 위한 인위적 탈리 작업 시 생물막 형성이 더딘 공기토출측에 불필요한 생물막 탈리를 조장 할 우려가 있다.
막 폭기 층상생물막 반응기는 적정한 질산화-탈질 반응이 구현되도록 하기 위해 막 외면에 형성된 생물막 두께를 조절하여 가급적 일정하게 유지되도록 할 수 있는 공정이 필요하다. 일반적으로는 반응기 하부에 공기를 주입하는 Air Scouring 방식이 있으나 이 방식은 무산소 생물막을 형성하여 탈질을 유도해야하는 막 폭기 층상생물막 반응기의 구조 및 운전 특성에 비추어 막 내부로 주입되는공기(산소)가 탈질작용을 저해할 수 있어 바람직하지 않다.
또한 막 폭기 층상생물막 반응기가 침지된 폐수처리 반응조에서 계획된 처리효율을 나타내기 위해서는 막 외면에 층상생물막이 활성화되어 있어야하나 이를 위해서는 폐수가 충수된 반응조 내에 반응기를 침지한 후 긴 시간이 층상생물막 형성 및 활성화에 소요되어 하폐수처리시설 운영 초기나 장기 운영중단 후 재운전시 방류수 수질기준 충족에 어려움이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 막 폭기 층상생물막 반응기(Membrane aerated stratified biofilm reactor)의 층상생물막(stratified biofilm)의 의도치 않은 탈리를 최소화하고 반응기 상/하부 층상 생물막 형성의 불균형을 방지하며, 생물막 두께 조절이 용이한 반응기 형상, 구조 및 그 층상생물막을 활성화하기 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 멤브레인을 폐수 처리 반응조에 침지후 멤브레인 내부에 공기를 공급하여 외면에 형성된 생물막을 통해 폐수 내의 유기화합물, 암모니아를 처리하는 막 폭기 층상생물막 반응기로서, 막형태를 갖고 외면에 층상생물막이 생성되는 멤브레인; 및 상기 멤브레인외 외면을 둘러싸며, 상기 멤브레인의 길이방향으로 서로 특정간격 이격되어 나권형으로 감겨지는 나권형 돌출단;를 포함하여, 생물막 형성속도와 부착성을 향상시키고 생물막에 가해지는 전단력을 감소시켜 탈리를 방지하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 나권형 돌출단은 고장력 합성섬유사로 구성되어 질산화생물막의 신속하고 안정적인 형성을 도모하고, 탈리 발생시 고장력 합성섬유사 가공부가 절취선과 같은 역할을 하여 의도하지 않은 생물막 손실을 최소화하고 섬유사에 서식하는 질산화미생물이 종균역할을 하여 멤브레인 표면에 질산화생물막이 복원되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 멤브레인은 관상형 모듈, 중공사형 모듈 또는 나권형 모듈로 구성되고, 상기 멤브레인 외면을 둘레방향으로 감싸고, 길이방향으로 서로 특정간격 이격되어 돌출된 막외면 돌출부를 포함하여, 상기 층상생물막의 탈리시, 상기 막외면 돌출부 사이에 탈리가 진행된 층상생물막만이 탈리되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 멤브레인이 부착되는 지지프레임; 상기 지지프레임 상부에 위치되는 상부공급헤더부와, 상기 지지프레임 하부에 위치되는 하부공급헤더부; 상기 상부공급헤더부 또는 상기 하부공급헤더부에 공기를 공급하는 공기주입수단; 및 설정된 주기로 상기 상부공급헤더부와 상기 하부공급헤더부 측으로 교호하며 공기가 공급되도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 상부공급헤더로 공기 공급시 상부공급헤더를 통해 공기가 상기 멤브레인 상부측에서 하부측으로 유동된 후 상기 하부공급헤더를 통해 배출되고, 상기 하부공급헤더로 공기 공급시 하부공급헤더를 통해 공기가 상기 멤브레인 하부측에서 상부측으로 유동된 후 상기 상부공급헤더를 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 공기주입수단의 공급관의 분기부를 기점으로 상부공급헤더의 상부유입부와 연결되는 상부공급관과, 하부공급헤더의 하부유입부와 연결되는 하부공급관, 상기 상부공급관 일측에 구비되는 제1밸브, 상기 하부공급관 일측에 구비되는 제2밸브, 상기 상부공급헤더의 상부배출부와 연결되는 상부배출관과 상기 상부배출관 일측에 구비되는 제3밸브, 상기 하부공급헤더의 하부배출부와 연결되는 하부배출관과 상기 하부배출관 일측에 구비되는 제4밸브를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 멤브레인의 상부측으로 공기 공급시 상기 제1, 제4밸브를 개방하고, 상기 제2, 제3밸브를 닫도록 제어하고, 상기 멤브레인의 하부측으로 공기 공급시 상기 제2, 제3밸브를 개방하고, 상기 제1, 제4밸브를 닫도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 지지프레임 일측에 구비되어 상기 멤브레인에 진동을 인가하는 진동장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 지지프레임 하부측에 구비되어 반송수가 유입되는 반송부유입관;상기 반송부유입관으로 상기 반송수가 유입되는 동력을 제공하는 반송펌프; 상기 반송부 유입관에 형성되어 상기 멤브레인 하부측으로 반송수를 분배 공급하여 상향류를 생성하는 반송수 분배부; 및 상기 반송수 분배부 상부에 구비되어 상기 멤브레인 하부측으로 난류를 생성하는 난류생성부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제어부는 상기 진동장치 및 상기 반송펌프 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 층상생물막의 두께를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 막 폭기 층상 생물막 반응기를 폐수처리 반응조에 침지시키기 전에 멤브레인 외면에 층상생물막을 활성화시키기 위한 장치로서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기가 침지되는 배양조; 상기 막 폭기 층상 생물막 반응기 내로 공기를 공급하는 공기공급장치; 상기 배양조에 염화암모늄을 주입하여 멤브레인 외면에 질산화미생물막을 생성시키는 염화암모늄 공급펌프; 및 상기 배양조에 메탄올을 주입하여 질산화미생물막의 상부에 탈질화미생물막이 생성되도록 하는 메탄올 공급펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기의 활성화 장치로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 배양조 내의 수질을 측정하는 수질측정장비; 상기 공기공급장치와 상기 염화암모늄 공급펌프와 상기 메탄올 공급펌프를 제어하여, 상기 층상생물막 반응기를 상기 배양조에 침지한 후 우선적으로 질산화 미생물막 형성을 위해 염화암모늄을 주입하면서 산소를 공급하고 이후 메탄올을 추가 공급함으로써 탈질화 미생물막이 순차적으로 층상을 이루어 형성되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기 및 그 층상 생물막 반응기 활성화 장치에 따르면, 막 폭기 층상생물막 반응기(Membrane aerated stratified biofilm reactor)의 층상생물막(stratified biofilm)의 의도치 않은 탈리를 최소화하고 반응기 상/하부 층상 생물막 형성의 불균형을 방지하며, 생물막 두께 조절이 용이하여, 그 층상생물막을 신속하게 최적화하여 활성화시킬 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 멤브레인 외면에 형성된 층상 생물막의 모식도,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 고장력 합성섬유사가 나권형으로 귄취된 멤브레인의 단면도,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 막외면 돌출부를 갖는 멤브레인의 단면도,
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 고장력 합성섬유사와 막외면 돌출부를 갖는 멤브레인의 단면도,
도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 막외면 고정띠와 고장력 합성섬유사가 형성된 멤브레인의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교호주입방식의 막폭기 층상생물막 반응기의 구성도,
도 4a 내지 도 4c는 상부측 공기공급시, 하부측 공기공급시, 공기 교호주입시 산소농도 그래프,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기의 구성도,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기의 지지프레임,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기 활성화 장치의 구성도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
도 1은 멤브레인 외면에 형성된 층상 생물막의 모식도,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 고장력 합성섬유사가 나권형으로 귄취된 멤브레인의 단면도,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 막외면 돌출부를 갖는 멤브레인의 단면도,
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 고장력 합성섬유사와 막외면 돌출부를 갖는 멤브레인의 단면도,
도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 막외면 고정띠와 고장력 합성섬유사가 형성된 멤브레인의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교호주입방식의 막폭기 층상생물막 반응기의 구성도,
도 4a 내지 도 4c는 상부측 공기공급시, 하부측 공기공급시, 공기 교호주입시 산소농도 그래프,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기의 구성도,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기의 지지프레임,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기 활성화 장치의 구성도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상생물막 반응기의 구성, 기능 및 그 층상 생물막 반응기의 활성화장치에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 막 폭기 층상생물막 반응기(Membrane aerated stratified biofilm reactor)의 층상생물막(stratified biofilm)(1)의 의도치 않은 탈리를 최소화하고 반응기 상부,하부 층상생물막 형성의 불균형을 방지하며 생물막 두께 조절이 용이한 반응기 형상, 구조 및 층상생물막을 활성화하기 위한 장치에 관한 것이다.
가. 생물막에 작용하는 전단력 완화기법을 이용한 생물막 손실최소화
본 발명의 실시예에 따르면, 생물막에 작용하는 전단력 완화기법을 이용하여 의도치 않은 생물막 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 멤브레인 외면에 형성된 층상 생물막의 모식도를 도시한 것이다. 막 폭기 층상생물막 반응기의 외면에는 도 1과 같은 층상생물막(1) 반응에 의해 폐수 내 암모니아와 유기물질(COD)이 제거 되는데 이와 같은 층상생물막(1)의 탈리는 처리효율 저하로 이어질 수 밖에 없으며, 더우기 생물막과 막 표면과의 부착성이 충분치 않을 경우 일부 탈리가 진행되면 주변 생물막에 전단력을 증가시켜 큰 면적으로 탈리될 가능성이 크다.
생물막의 탈리가 심할 경우 그 피해는 성장속도가 느린 질산화 미생물에 치 명적이고, 경우에 따라서는 호기성 막(2) 표면의 질산화 미생물이 성장속도가 더 빠른 종속영양 미생물로 대체되어 층상생물막 반응체계(질산화 후 탈질)가 파괴될 우려가 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 고장력 합성섬유사가 나권형으로 귄취된 멤브레인의 단면도를 도시한 것이다. 층상생물막(1)이 형성되는 멤브레인(10) 외면에 도 2a에 도시된 바와 같이 1mm 내외의 두께를 갖는 고장력 합성섬유사(12)를 2mm 내외의 간격으로 감아서 초기 생물막 형성 속도와 생물막의 부착성을 향상시키고, 수류에 의해 생물막에 가해지는 전단력을 감소 시켜 탈리를 방지하며, 그럼에도 불구하고 막표면 생물막의 탈리가 발생할 시 고장력 합성섬유사(12) 가공부가 절취선과 같은 역할을 함으로써 생물막 손실을 최소화 할 수 있도록 할 뿐 아니라 섬유사에 부착하여 서식하는 질산화 미생물이 종균 역할을 하여 막 표면에 질산화 생물막이 복원되는 것을 도와준다.
한편 층상생물막(10)은 운영 중 인위적인 탈리를 통해 생물막 두께조절이 필요한 바, 이 때 고장력 합성섬유사(12)가 위에 설명한 것과 같은 원리로 질산화 생물막 손실 최소화 및 신속한 복원에 기여한다.
요약컨데, 고장력 합성섬유사(12)의 장착은 미생물 부착성 향상은 물론 호기성 질산화 생물막의 탈리가 최소화되고 훼손된 생물막이 신속히 복원되도록 함으로써 자연적 혹은 인위적 생물막 탈리에 따른 질소 처리효율 저하를 예방하고 안정적인 연속운전을 가능하게 한다.
나. 멤브레인(막) 외면의 마디부 형성
통상적인 운전 시에는 앞서 설명한 바와 같이 멤브레인(10) 외면의 전단력 완화기법을 이용한 생물막 표면적의 손실의 최소화가 가능할 것이나, 빈번한 비정상 운전이 예상되어 생물막 탈리 최소화가 최우선적으로 고려되어야 한다면 다음과 같은 형태로 하여 동일한 막면적 대비 생물막 표면적은 소폭 감소되나 생물막 탈리를 이중으로 최소화 할 수 있다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 막외면 돌출부를 갖는 멤브레인의 단면도를 도시한 것이다. 공기가 주입되고 층상생물막(1)이 형성되는 멤브레인(10) 외면에 도 2b에 도시된 바와 같이 대나무 마디와 같은 막외면 돌출부(11)를 일정 간격으로 주면 마디부위는 돌출되어 있는 형상으로 공기(산소)공급이 없거나 매우 작아져 층상생물막 형성이 얇아지므로 탈리 발생시 해당 마디구간 내 생물막 만이 탈리되도록 할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 고장력 합성섬유사와 막외면 돌출부를 갖는 멤브레인의 단면도를 도시한 것이고, 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 막외면 고정띠와 고장력 합성섬유사가 형성된 멤브레인의 단면도를 도시한 것이다.
중공사형 모듈(Hollow-Fiber module)의 형태를 갖는 멤브레인(10, 도 2b)은 외면에 마디(11) 형상을 주며, 도 2c에 도시된 바와 같이, 관상형 모듈(Tubular Type module)은 막 외면에 전단력 완화 장치로써 감겨진 고장력 합성섬유사(12)가 1차적으로 얇고 좁은 간격의 마디 역활을 하며 2차적으로 멤브레인(10) 외면의 돌출부(11)가 넓은 간격의 마디 역활을 하게 되며, 도 2d에 도시된 바와 같이, 나권형 모듈(Spriral- wound module)과 같은 형태를 갖는 멤브레인(10)의 경우에는 관상형 모듈과 마찬가지로 고장력 합성섬유사(12)가 1차적 마디 역활 및 생물막의 부착성 향상 기능을 하고 2차적으로 그 위에 폭은 좁으나 매끄럽고 두께가 있는 고정띠(13)를 이용하여 돌출된 마디를 주며, 이와 같은 마디 형상부(11, 13)는 고장력 합성섬유사(12)와 같이 일종의 절취선 역활을 하여 층 상생물막 탈리 발생시 광범위한 범위로 연속적으로 발생하지 않고 처음 탈리가 발 생한 마디구간 내에서만 층상생물막이 탈리되는 효과를 가져 표면적 손실 발생을 최소화할 수 있다.
이에 본 발명의 실시예에서는 공기주입수단(20)에 의해 공기가 주입되고 층상생물막(1)이 형성되는 막 외면에 도 2b에 도시된 바와 같이 대나무 마디와 같은 막외면 돌출부(11)를 일정 간격으로 주면 마디부위는 돌출되어 있는 형상이며 공기(산소)공급이 없어 층상생물막 형성이 얇아지므로 탈리 발생시 해당 마디 구간 내 층상생물막(1)만 탈리되도록 구성됨을 알 수 있다. 즉, 중공사형 모듈(Hollow-Fiber module)이나 관상형 모듈(Tubular Type module)의 형태를 갖는 멤브레인(10)은 막 자체 외면에 마디 형상인 막외면돌출부(11)를 준다.
또한 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 나권형 모듈(Spriral-wound module)과 같은 형태를 갖는 멤브레인(10)의 경우에는 막 외면에 전단력 완화 장치로써 고장력 합성섬유사(12)를 감어서 생물막의 부착성을 향상시키고 그 위에 매끄럽고 두께가 있는 막외면 돌출부(11, 도 2c), 또는 고정띠(13, 도 2d)를 이용하여 돌출된 마디를 줄 수 있어 이를 통해 운영 중 층상생물막 탈리 발생시 광범위한 범위로 연속적으로 발생하지 않고 처음 탈리가 발생한 마디구간 내에서만 층상생물막이 탈리되는 효과를 가질 수 있다.
다. 공기 교호주입 방식의 멤브레인 모듈
또한 멤브레인(10)의 상부측 또는 하부측 중 한쪽으로만 공기를 주입하는 방식으로 막 폭기 층상생물막 반응기를 운영 시에는 공기유입측의 산소농도가 공기토출측의 산소농도가 상대적으로 높아 산소전달속도가 달라져 막 전체에 걸쳐 균등한 생물막 두께를 형성하기 어려우며, 생물막 두께 관리를 위한 인위적 탈리 작업 시 생물막 형성이 더딘 공기토출측에 불필요한 생물막 탈리를 조장할 우려가 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교호주입방식의 막폭기 층상생물막 반응기의 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 4a 내지 도 4c는 상부측 공기공급시, 하부측 공기공급시, 공기 교호주입시 산소농도 그래프를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 상부측과 하부측에 교대로 공기를 주입하는 방식의 모듈로 하여 한쪽으로만 공기 주입시 반대쪽으로 공급되는 산소농도가 낮음으로 인해 발생되는 층상생물막 형성의 불균형을 도 4에 도시된 바와 같은 효과를 통해 방지하는 것이 가능하다.
보다 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기(100)는 멤브레인(10)이 부착되는 지지프레임(30)과, 이러한 지지프레임(30) 상부에 위치되는 상부공급헤더부(40)와, 지지프레임(30) 하부에 위치되는 하부공급헤더부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 상부공급헤더부(40) 또는 하부공급헤더부(60)에 공기를 공급하는 공기주입수단(20)과, 설정된 주기로 상부공급헤더부(40)와 하부공급헤더부(60) 측으로 교호하며 공기가 공급되도록 제어하는 제어부(90)를 포함하여 구성된다.
따라서 상부공급헤더(40)로 공기 공급시 상부공급헤더(40)를 통해 공기가 멤브레인(10) 상부측에서 하부측으로 유동된 후 하부공급헤더(60)를 통해 배출되고, 하부공급헤더(60)로 공기 공급시 하부공급헤더(60)를 통해 공기가 멤브레인(10) 하부측에서 상부측으로 유동된 후 상부공급헤더(40)를 통해 배출되게 된다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 공기주입수단(20)의 공급관의 분기부(50)를 기점으로 상부공급헤더(40)의 상부유입부(43)와 연결되는 상부공급관(41)과, 하부공급헤더(60)의 하부유입부(63)와 연결되는 하부공급관(61), 상부공급관(41) 일측에 구비되는 제1밸브(42), 하부공급관(61) 일측에 구비되는 제2밸브(62)을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
그리고 상부공급헤더(40)의 상부배출부(44)와 연결되는 상부배출관(45)과 이러한 상부배출관(45) 일측에 구비되는 제3밸브(46), 또한 하부공급헤더(60)의 하부배출부(64)와 연결되는 하부배출관(65)과 이러한 하부배출관(65) 일측에 구비되는 제4밸브(66)를 포함하여 구성된다.
따라서 제어부는, 멤브레인(10)의 상부측으로 공기 공급시 제1, 제4밸브(42, 66)를 개방하고, 제2, 제3밸브(62, 46)를 닫도록 제어하고, 멤브레인(10)의 하부측으로 공기 공급시 제2, 제3밸브(62,46)를 개방하고, 제1, 제4밸브(42, 66)를 닫도록 제어하게 된다.
라. 층상생물막 두께조절을 위한 Vibration & Water Scouring
그리고 막 폭기 층상생물막 반응기는 적정한 질산화-탈질 반응이 구현되도록 하기 위해 막 외면에 형성된 생물막 두께를 조절할 수 있는 공정이 필요하며 일반적으로는 반응기 하부에 공기를 주입하는 Air Scouring 방식이 있으나 이 방식은 무산소 생물막을 형성하여 탈질을 유도해야하는 막 폭기 층상생물막 반응기의 구조 및 운전 특성에 비추어 막 내부로 주입되는공기(산소)가 탈질작용을 저해할 수 있어 바람직하지 않다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기의 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기의 지지프레임을 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에서는 Vibration & Water Scouring 방식을 채택 하여 반응기를 일차 통과한 폐수를 반응기(100)가 침지되어 있는 반응조 유출부에서 도 5a에 도시된 바와 같은 반응기 하부의 반송수 분배부(82)로 유입시켜 사선의 날개깃(84)이 있는 난류생성부(83)에 의해 상향류로 발생된 난류성 전단력을 이용하여 생물막의 두께를 조절할 수 있으며, 필요시 도 5b에 도시된 바와 같이, 반응기 프레임(30) 상부에 설치된 진동장치(33)를 이용한 진동전달을 통해 Scouring 효과를 극대화 할 수 있다. 즉, 진동장치(33)는 지지프레임 일측에 구비되어 멤브레인(10)에 진동을 인가하도록 구성된다.
보다 구체적으로, 지지프레임(30) 하부측에 반송부유입관(81)이 구비되어 반송수가 유입되도록 구성된다. 그리고 반송펌프(80)는 반송부유입관(81)으로 반송수가 유입되기 위한 동력을 제공하게 된다. 또한 반송부유입관(81)에는 반송부 분해부(82)가 형성되어 멤브레인(10) 하부측으로 반송수를 분배 공급하여 상향류를 생성하도록 구성된다.
또한 반송부 분배부(82) 상부에는 다수의 사선날개깃(84)이 설치된 난류생성부(83)가 구비되어 멤브레인(10) 하부측으로 난류를 생성하도록 한다.
그리고 제어부는 진동장치(33)와, 반송펌프(80)를 제어하여 층상생물막의 두께를 조절하게 된다.
구체적으로 반송수 분배부(82)로 유입하는 반송수는 반송펌프(80)의 회전수제어를 통해 조절하여 평상시에는 낮은 회전수로 운전되어 층상생물막(10)과 폐수의 접촉을 균일하여 처리효율을 증가시키는 역활을 하며, 생물막 두께 감소조절 운전 시에는 회전수를 높여 수류의 유속을 높이는 운영이 가능하다.
마. 층상생물막 활성화장치
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기 활성화 장치의 구성도를 도시한 것이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
막 폭기 층상생물막 반응기(100)가 침지된 폐수처리 반응조에서 계획된 처리효율을 나타내기 위해서는 멤브레인(10) 외면에 층상생물막(1)이 활성화되어 있어야하나 이를 위해서는 폐수가 충수된 반응조 내에 반응기(100)를 침지한 후 층상생물막(1) 형성 및 활성화에 장시간이 소요되어 하·폐수처리시설 운영 초기나 장기 운영중단 후 재운전시 방류수 수질기준 충족에 어려움이 예상되는바 본 발명의 실시예에 따른 층상생물막 활성화 장치(200)는 도 6에 도시된 바와 같은 구성을 Package화하여 폐수처리시설의 폐수 유입 전에 반응기(100) 멤브레인 외면에 AOB & NOB 활성화 층(아질산화 & 질산화 미생물층; 호기성 독립영양 미생물 우점 화), HB 활성화 층(탈질화 미생물층: 임의성 종속영양 미생물 우점화)을 순차적으로 형성시킨 후 폐수처리 반응조에 폐수가 유입됨과 동시에 침지함으로써 안정적인 초기 운영과 처리수질 확보가 가능할 것이다.
앞서 설명한 반응기(100) 멤브레인(10) 외면의 층상생물막(10) 형성 방안에는 AOB 활성화 층(아질산화 미생물층; 호기성 독립영양 미생물 우점화), Anammox 활성화 층(아탈질화 미생물층: 혐기성 독립영양 미생물 우점화)을 순차적으로 형성하는 것을 포함할 것이다.
최초 층상생물막 반응기(100)를 배양조(110)에 침지한 후 우선적으로 질산화 미생물막 형성을 위해 염화암모늄을 주입하면서 산소를 공급하고 이후 메탄올을 추가 공급함으로써 탈질화 미생물막 형성되도록 하며 이를 위해 층상생물막 배양조(110), 공기공급장치(130), 교반장치, NaOH 공급펌프(140), NaOH 저장조(141), 메탄올 공급펌프(150), 메탄올 저장조(151), 염화암모늄 공급펌프(160), 염화암모늄 저장조(161)), 수질측정장비(170) 및 자동제어부(90) 등이 Package 형태로 구성한다
보다 구체적으로 공기공급장치(130)는, 막 폭기 층상 생물막 반응기(100) 내로 공기를 공급하도록 구성되며, 염화암모늄 공급펌프(160)는 배양조(110)에 염화암모늄을 주입하여 멤브레인(10) 외면에 질산화미생물막을 생성시키도록 구성된다.
또한 메탄올 공급펌프(150)는 배양조(110)에 메탄올을 주입하여 질산화미생물막을 생성된 외면에 탈질화미생물막이 생성되도록 한다.
따라서 공기공급장치(130)와 염화암모늄 공급펌프(160)와 메탄올 공급펌프(150)를 제어하여, 층상생물막 반응기(100)를 배양조(110)에 침지한 후 우선적으로 질산화 미생물막 형성을 위해 염화암모늄을 주입하면서 산소를 공급하고 이후 메탄올을 추가 공급함으로써 탈질화 미생물막이 형성되게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 활성화장치(200)는 배양조(110) 내의 수질을 측정하는 수질측정장비(170)를 포함한다. 이러한 수질측정장치(170)는 암모늄 이온측정기(171), pH 측정기(172), ORP 측정기(173)를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:층상생물막
2:호기성생물막
3:무산소생물막
4:폐수
10:멤브레인
11:막외면 돌출부(막외면 돌출성형부)
12:나권형 돌출단(고장력 합성섬유사)
13:막외면 고정띠
20:공기주입수단
30:지지프레임
31:외곽프레임
32:X자 프레임
33:진동장치
40:상부공급헤더부
41:상부공급관
42:제1밸브
43:상부유입부
44:상부배출부
45:상부배출관
46:제3밸브
50:분기부
60:하부공급헤더부
61:하부공급관
62:제2밸브
63:하부유입부
64:하부배출부
65:하부배출관
66:제4밸브
70:합류배출관
80:반송펌프
81:반송부유입관
82:반송수 분배부
83:난류생성부
84:사선날개깃
90:제어부
100:막 폭기 층상 생물막 반응기
110:배양조
120:배양조순환펌프
121:배양조순환관
122:배양조순환밸브
123:반응기접촉순환관
124:반응기접촉순환밸브
130:공기공급장치
140:NaOH 공급펌프
141:NaOH 저장조
150:메탄올 공급펌프
151:메탄올 저장조
160:염화암모늄 공급펌프
161:염화암모늄 저장조
170:수질측정장비
171:암모늄이온 측정부
172:pH 측정부
173:산화환원전위 측정부
200:막 폭기 층상 생물막 반응기 활성화 장치
2:호기성생물막
3:무산소생물막
4:폐수
10:멤브레인
11:막외면 돌출부(막외면 돌출성형부)
12:나권형 돌출단(고장력 합성섬유사)
13:막외면 고정띠
20:공기주입수단
30:지지프레임
31:외곽프레임
32:X자 프레임
33:진동장치
40:상부공급헤더부
41:상부공급관
42:제1밸브
43:상부유입부
44:상부배출부
45:상부배출관
46:제3밸브
50:분기부
60:하부공급헤더부
61:하부공급관
62:제2밸브
63:하부유입부
64:하부배출부
65:하부배출관
66:제4밸브
70:합류배출관
80:반송펌프
81:반송부유입관
82:반송수 분배부
83:난류생성부
84:사선날개깃
90:제어부
100:막 폭기 층상 생물막 반응기
110:배양조
120:배양조순환펌프
121:배양조순환관
122:배양조순환밸브
123:반응기접촉순환관
124:반응기접촉순환밸브
130:공기공급장치
140:NaOH 공급펌프
141:NaOH 저장조
150:메탄올 공급펌프
151:메탄올 저장조
160:염화암모늄 공급펌프
161:염화암모늄 저장조
170:수질측정장비
171:암모늄이온 측정부
172:pH 측정부
173:산화환원전위 측정부
200:막 폭기 층상 생물막 반응기 활성화 장치
Claims (10)
- 멤브레인을 폐수 처리 반응조에 침지후 멤브레인 내부에 공기를 공급하여 외면에 형성된 생물막을 통해 폐수 내의 유기화합물, 암모니아를 처리하는 막 폭기 층상생물막 반응기로서,
막형태를 갖고 외면에 층상생물막이 생성되는 멤브레인; 상기 멤브레인의 외면을 둘러싸며, 상기 멤브레인의 길이방향으로 서로 특정간격 이격되어 나권형으로 감겨지는 나권형 돌출단; 및 상기 멤브레인 외면을 둘레방향으로 감싸고, 길이방향으로 서로 특정간격 이격되어 돌출된 막외면 돌출부;를 포함하여, 상기 나권형 돌출단은 고장력 합성섬유사로 구성되어, 생물막 형성속도와 부착성을 향상시키고 생물막에 가해지는 전단력을 감소시켜 탈리를 방지하며, 질산화생물막의 신속하고 안정적인 형성을 도모하고, 탈리 발생시 고장력 합성섬유사 가공부가 절취선과 같은 역할을 하여 생물막 손실을 최소화하고 섬유사에 서식하는 질산화미생물이 종균역할을 하여 멤브레인 표면에 질산화생물막이 복원되도록 하고, 상기 층상생물막의 탈리시, 상기 막외면 돌출부 사이에 탈리가 진행된 층상생물막만이 탈리되며,
상기 멤브레인이 부착되는 지지프레임; 상기 지지프레임 상부에 위치되는 상부공급헤더부와, 상기 지지프레임 하부에 위치되는 하부공급헤더부; 상기 상부공급헤더부 또는 상기 하부공급헤더부에 공기를 공급하는 공기주입수단; 및 설정된 주기로 상기 상부공급헤더부와 상기 하부공급헤더부 측으로 교호하며 공기가 공급되도록 제어하는 제어부;를 포함하여, 상기 상부공급헤더로 공기 공급시 상부공급헤더를 통해 공기가 상기 멤브레인 상부측에서 하부측으로 유동된 후 상기 하부공급헤더를 통해 배출되고, 상기 하부공급헤더로 공기 공급시 하부공급헤더를 통해 공기가 상기 멤브레인 하부측에서 상부측으로 유동된 후 상기 상부공급헤더를 통해 배출되며,
상기 지지프레임 하부측에 구비되어 반송수가 유입되는 반송부유입관; 상기 반송부유입관으로 상기 반송수가 유입되는 동력을 제공하는 반송펌프; 상기 반송부 유입관에 형성되어 상기 멤브레인 하부측으로 반송수를 분배 공급하여 상향류를 생성하는 반송수 분배부; 및 상기 반송수 분배부 상부에 각각이 절곡된 형태의 복수의 사선날개깃이 설치되어 상기 멤브레인 하부측으로 난류를 생성하는 난류생성부;를 포함하고,
상기 상부공급헤더를 통해 배출된 반송수가 상기 반송수 유입관으로 유입되어 상기 반송수 유입관에 형성된 반송수 분배부를 통해 분배공급되어 상향류를 생성하고, 절곡된 형태의 복수의 사선날개깃이 설치된 난류생성부에 의해 상향류로 발생된 난류성 전단력을 이용하여 생물막의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 멤브레인은 관상형 모듈, 중공사형 모듈 또는 나권형 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 공기주입수단의 공급관의 분기부를 기점으로 상부공급헤더의 상부유입부와 연결되는 상부공급관과, 하부공급헤더의 하부유입부와 연결되는 하부공급관, 상기 상부공급관 일측에 구비되는 제1밸브, 상기 하부공급관 일측에 구비되는 제2밸브, 상기 상부공급헤더의 상부배출부와 연결되는 상부배출관과 상기 상부배출관 일측에 구비되는 제3밸브, 상기 하부공급헤더의 하부배출부와 연결되는 하부배출관과 상기 하부배출관 일측에 구비되는 제4밸브를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 멤브레인의 상부측으로 공기 공급시 상기 제1, 제4밸브를 개방하고, 상기 제2, 제3밸브를 닫도록 제어하고,
상기 멤브레인의 하부측으로 공기 공급시 상기 제2, 제3밸브를 개방하고, 상기 제1, 제4밸브를 닫도록 제어하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 지지프레임 일측에 구비되어 상기 멤브레인에 진동을 인가하는 진동장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기.
- 삭제
- 제 6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 진동장치 및 상기 반송펌프 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 층상생물막의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기.
- 막 폭기 층상 생물막 반응기를 폐수처리 반응조에 침지시키기 전에 멤브레인 외면에 층상생물막을 활성화시키기 위한 장치로서,
제 1항, 제 3항, 제 5항 내지 제 6항 및 제 8항 중 어느 한 항에 따른 막 폭기 층상 생물막 반응기가 침지되는 배양조;
상기 막 폭기 층상 생물막 반응기 내로 공기를 공급하는 공기공급장치;
상기 배양조에 염화암모늄을 주입하여 멤브레인 외면에 질산화미생물막을 생성시키는 염화암모늄 공급펌프; 및
상기 배양조에 메탄올을 주입하여 질산화미생물막을 생성된 외면에 탈질화미생물막이 생성되도록 하는 메탄올 공급펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기의 활성화 장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 배양조 내의 수질을 측정하는 수질측정장비;
상기 공기공급장치와 상기 염화암모늄 공급펌프와 상기 메탄올 공급펌프를 제어하여, 상기 층상생물막 반응기를 상기 배양조에 침지한 후 우선적으로 질산화 미생물막 형성을 위해 염화암모늄을 주입하면서 산소를 공급하고 이후 메탄올을 추가 공급함으로써 탈질화 미생물막이 순차적으로 층상을 이루어 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 막 폭기 층상 생물막 반응기의 활성화 장치.
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