KR100207801B1

KR100207801B1 - 수질대기오염물질 생물학적 처리용 합성활성세라믹 미생물 담체 및 그 제조공정

Info

Publication number: KR100207801B1
Application number: KR1019950029395A
Authority: KR
Inventors: 조종진; 강현찬
Original assignee: 조종진
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1999-07-15
Also published as: KR970015732A

Abstract

각종 폐기물을 미생물을 이용하여 생분해함에 있어 미생물의 활성화를 도모하기 위한 각종 수단이 제공되고 있다.

본 발명은 미생물이 활성화되기 쉬운 다공성 세라믹 구조를 규석, 제오라이트, 일라이트, 고령토, 장식, 세라이트, 활석, 인회석, 기타 미량원소(규조토, 세륨---)의 배합 후 고온소성 한 것으로 제조하여 다양한 형태로 성현한 것으로서 유동상

Description

[발명의 명칭]

수질·대기오염물질 생물학적 처리용 합성활성세라믹 미생물 담체 및 그 제조공정

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 수질·대기오염 방지시설에서 생물학적 분해가 가능한 오염물질의 미생물에 의한 고효율적 처리를 유도하기 위하여, 오염물질의 흡착과 동시에 미생물의 활성화를 위한 환경조건을 제공하여 오염물질의 처리효율을 가속화 최적화하는 합성활성미생물 담체에 관한 것이다.

최근 몇년동안 생물화학적 수질, 대기정화시설은 집약적이면서도 운전이 용이하고 처리효율이 높은 처리기술로 개발되는 경향이 두드러지고 있으며, 오염물질의 배출 허용기준이 점차 강화되는 추세에 따라 처리수의 수질을 보다 향상시킬 수 있는 방안을 모색하게 되면서 주목받는 처리기술중의 하나가 생물막을 이용한 처리공정이다. 공정상의 측면에서 미생물이 고정화되어 있다는 것은 농축슬러지의 반송없이도 매우 높은 농도의 박테리아로 운전이 가능함을 의미하고, 특히 오염물질의 농도가 갑작스럽게 상승하더라도 보다 안정된 처리수질을 유지할 수 있음을 나타낸다.

이러한 생물막 공정에서는 메디아 표면에 미생물을 부착시켜서 운전한다는 것이 기존 처리공법과 가장 큰 차이점이다. 생물막 공법은 안정된 생태계에서의 미생물이 충진여재에 고정되어 생물막을 형성함으로써 긴 SRT를 가지므로 미생물 생성량이 적으며, 여타의 공법과 비교했을 때 생물막에는 호기성, 통기성 그리고 혐기성 박테리아등 보다 많은 종류의 미생물이 서식하고 있으므로 다양한 오염물질을 제거할 수가 있고, 처리에 이용할 수 있는 표면적이 많아 대단히 많은 양의 미생물이 서식하고 있기 때문에 처리공정의 단위부피당 처리용량은 여타의 생물학적 처리공정에 비하여 월등히 크다.

하지만, 막대한 양의 메디아와 메디아를 위한 구조물제작에 소요되는 비용이 크고, 메디아에 과다하게 형성된 생물막층을 공기등을 이용하여 탈리시키는 과정에서 적정량의 미생물 확보를 위해 탈리정도를 조정하기 어려운 단점이 있다.

이러한 생물막 처리공정에서는 사용되는 메디아의 종류에 따라 미생물의 부착효과 및 처리효율이 크게 좌우되므로 메디아의 선정은 생물막을 이용한 처리공정에서 가장 중요한 요소라 할 수 있다. 일반적으로 메디아로 이용되는 물질은 이루헤아릴 수 없이 많지만 주로 비표면적을 크게 유지할 수 있는 다공성 매체를 사용하는 경향이 크다. 본 연구에서는 이러한 생물막 공정에서 사용할 수 있도록 종래의 비표면적 위주로 연구개발된 소재의 단점을 극복하고 복합(Hybrid)적 기능과 미생물 활성도 증대를 위한 목적으로 물리, 화학적 특성을 지닌 신소재(세라믹) 담체 및 여재를 개발하였다.

현재 폐수처리시스템에서 사용되고 있는 메디아는 플라스틱, 세라믹, 돌, 섬유, 합성물질 등을 소재로 하여 비표면적을 가능한 한 증가시킬 수 있도록 제작하여 투입한다.

메디아의 비표면적을 증가시키는 방법으로는 단면형상을 변형하여-벌집모양, 격자형, 나선형 등-구조적으로 비표면적을 늘리는 방법이 주로 사용되고 있다. 이와같이 개발된 메디아를 폐수처리에 적용시 주로 유기물질의 제거와 부유물질의 제거에 탁월한 효율을 나타내는 것으로 나타났으며 최근에는 질소와 인과 같은 영양염류와 난분해성 유기물질의 제거에도 효과가 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과는 메디아를 사용함으로써 미생물이 이에 부착·성장하므로 반응조내 미생물 농도를 높게 유지하는 것이 가능하고 SRT가 길어져 난분해성 유기물질과 질소·인과 같은 영양염류 제거에도 탁월한 효율을 나타낼 수 있는 것으로 보고되었다. 메디아를 이용한 생물막공법은 고부하 조건에서도 운전이 용이하며 충격과 온도변화에 따른 영향이 타 공정에 비해 적으며 특히 슬러지 생산량이 적어 경제적인 측면에서 큰 이점이 있는 것으로 나타났다.

대부분의 생물막 메디아들이 생물막(미생물 군집)의 부착성만을 활용하는 데 반하여, 본 신개발소재 SAC는 소재자체의 친 생물학적인 물리 화학, 전기적 기능을 복합적으로 활용함으로써 생물학적 처리시스템으로 흡착과 분해작용을 동시에 구비한 System으로서 경제적이고 안정적인 획기적 장점을 가진 신소재이며, 메디아 자체를 다공성으로 제작하여 비표면적을 획기적으로 증가시킨 것이다.

따라서 생물학적 처리시스템에 활성 미생물 담체를 충진시켜서 사용할 경우 폐수처리과정에서 부유성 미생물, 토양 미생물과 같은 토착성 미생물 및 부착성 미생물들이 함께 다량으로 어울려서 증식할 수 있는 체계를 구축시켜 줌으로써 폐수처리 효율을 극대화시킬 수 있다.

한편 상수도 처리과정에서는 오염물질을 활성미생물 담체가 흡착시키는 작용과 함께 흡착된 오염물질이 미생물에 의해 분해될 수 있게 만들었다.

다시 말해서 활성미생물 담체는 오염물질을 흡착시키고 또 미생물의 증식을 활성화시키는 하이브리드계의 역할을 한다.

한편 이러한 기능을 포함한 메디아재질 선정조건으로는 미생물의 증식에 방해가 되는 독성물질을 함유되어 있지 않아야 하며, 오히려 이들이 필요로 하는 극미량의 원소들을 제공할 수 있는 조건을 가져야 하고 미생물들이 잘 서식할 수 있도록 적절한 기공을 가지고 있어야 한다.

또한 물속에 용해되어 있는 오염물질을 잘 흡착하려면 메디아 표면의 전기적 특성을 이용하여 흡착을 시키거나 오염물질의 전기적극성을 이용하여 소수기에 의한 흡착을 유도할 수 있게 메디아에 아주 작은 소공극을 제공할 필요가 있다.

본 발명의 활성미생물 담체는 다음의 제조공정을 통하여 생성된다.

1. 원료선별공정

제오라이트, 일라이트, 규석, 고령토, 활석, 장석, 세리사이트, 인회석 등을 주로한 각종 비금속 광물의 혼입을 막기 위하여 자력선별기, 부유선별기 등을 사용하여 불순물을 제거한다. 선별된 원료는 소성이 가능하도록 300메시 이하로 분쇄한다.

2. 원료의 진처리 공정

소결시에 매우 미세한 공극을 가질 수 있게 원료의 일부를 원료 자체인 결정중에서 소공극을 얻기 위하여 결정속에 있을 경우 결정수나 층간수를 분리시키기 위하여 가열처리 등의 방법으로 분리시킨다. 특히 적합하게는 규석 20∼30%, 제오라이트 20∼30%, 일라이트 5∼10%, 고령도 5∼10%, 장석 5∼10%, 세라이트 5∼10%, 활석 5∼10%, 인회석 5∼10%, 기타 미량 원소로써 규조토 1∼2%극미량, 극미량 코디라이트 1∼2%, 운모 1∼2%, 질석 1∼2%, 그리고 나머지 잔량은 주미량의 세륨, 게르마늄을 배합한 것이다.

3. 원료배합공정

각종 비금속 광물을 소성이 가능하도록 분쇄한 것을 표 1의 화학적 조성을 기본으로 하되, 사용목적과 용도에 따른 제품형식(모델)별로 각각 정해진 혼합비로 정밀 혼합한다.

4. 성형공정

제품형식별 형태에 적합한 메디아를 만들기 위하여 사출기나 성형기등을 이용하여 각종 형태를 가진 모양의 메디아를 만든다.

5. 건조공정

성형과정을 거쳐서 완성된 소성체를 공기중에서 자연건조시키거나 소결로의 폐열을 이용하여 110℃ 정도에서 24시간 정도 건조시킨다.

6. 소결공정

원료의 배합비에 따라 약간의 차이는 있으나 1100℃전후의 정해진 온도에서 24시간 정도 정밀하게 소결시킨다.

[본 발명의 활성미생물 담체의 특성]

1) 화학적 조성

활성미생물 담체의 화학적 조성은 오염물질의 특성에 따라 약간씩 변동이 있을 수 있으나 대략 표 1과 같은 3종의 화학적 조성을 기본으로 하였다.

2) 물리적 특성

활성미생물 담체 표면의 기공은 폐수처리에 많이 사용되는 다양한 미생물들이 제각기 특성에 따라 적절한 조건으로 서식할 수 있게 다양한 크기의 기공이 분포하도록 만들었다.

본 발명품인 활성미생물 담체의 표면을 전자현미경으로 관찰한 결과 사진 1에서 볼 수 있는 바와 같이 활성미생물 담체의 표면에 0.001㎜∼0.05㎜의 소공극들을 많이 가지고 있는 것을 볼 수 있으며, 필요에 따라 大小공극의 비율과 크기를 조정할 수 있다.

이러한 활성미생물 담체를 더욱 확대해 보면 사진 1을 더욱더 전자현미경으로 확대하여 보면 사진 2와 사진 3에서 볼 수 있는 것과 같이 지름이 3㎛∼10㎛정도의 원통측면에서 0.2㎛전후의 작은 기공을 가진 대롱 모양의 형태들이 다발로 되어 있는 모습을 볼 수 있다.

즉, 활성미생물 담체의 표면에는 0.001㎜∼0.05㎜정도의 소공극과 0.1㎛∼1㎛정도의 비세기공들이 다양하게 조합되어 있어 물의 특수성이나 투과성이 양호하며 다양한 미생물들이 각자의 크기나 형태에 따라 서식할 수 있게 만들어져 있는 특징이 있다.

한편 본 발명품의 여러가지 물리적 성질을 측정하여 보면 여러가지 원료의 선별, 혼합비율 및 전처리조건의 차이와 소결온도에 따라 약간의 차이를 가지게하고 있으나 대략 표 2와 같은 특성을 나타내고 있다.

활성미생물 담체의 형태

1) 고정상용

사진에서 보는 바와 같이 8㎜∼14㎜지름의 구형의 모양을 취한다.

2)고정 및 유동상용

사진에서 보는 바와 같이 2㎜∼4㎜의 구형 원통형 혹은 정방형 그래뉼 형태를 취한다. 유동상의 경우 비중을 작게하기 위하여 상기한 1) 2)의 형태의 중심부에 불투수층의 공극을 갖거나 고분자물질을 포함시킨 형태와 비표면적을 증대시키기 위하여 격자형 또는 원통형의 palling형태를 취하도록 할 수 있다.

본 발명 활성미생물 담체의 특징은 다음과 같다.

1) 물속에 용해되어 있는 오염물질의 흡착이 효과적으로 이루어지도록 SAC미생물 담체표면에 전기적 특성을 주어 일부는 음이온을 흡착할 수 있도록 正전하를 띠게 하였고 일부는 양이온을 흡착시킬 수 있도록 負전하를 띠게 하였다.

2) 미생물 증식에 독성이 미치지 않도록 SAC미생물 담체의 제조과정에서 중금속들은 일체 함유하지 않았으며 1000℃이상의 고온에서 소결시킴으로써 멸균 또한 완벽하게 시켰다.

3) 여러가지 소재를 혼합하고 소결시키는 과정에서 아주 미세한 기공을 형성시켜 물속의 융해된 유기성 오염물질의 소수기가 흡착되도록 하였고, 동시에 소공극을 형성함으로써 미생물의 서식도 가능하도록 다양한 기공을 분포시켰다.

4) 각종 미생물들이 서식하기 좋은 공간을 제공하여 주는 동시에 우체의 흐름에 의하여 미생물의 유출을 방지하며 보존할 수 있고 미생물이 활성화될 수 있도록 하며 미생물의 증식에 촉매역할을 할 수 있도록 하였다.

5) 운전중 시설가동이 중단되어 미생물의 자기 분해로 감소하여도 SAC미생물 담체내에 여전히 다량의 미생물이 잔존함으로써 운전이 재개되면 신속하게 증식되고 축적되어 빠르게 재생 및 부활을 한다.

6) 독물이나 저해성 물질의 충격부하에 안정성이 높으며 유기물의 부하의 변동과 온도변화에도 안전성이 높다.

이상 본 발명은 제품을 다수의 원통형 칼럼의 일측에는 호라성탄을 채우고 타측에는 본 발명의 제품을 채운 다음 분해능 시험을 하였다.

(1) 실험목적

급격히 악화되고 있는 수자원의 수질을 고도정수처리하기 위하여 많은 예산과 노력을 경주하고 있으나, 대부분 해외기술에 의존하고 있는 실정인 바, 본 개발품을 고도정수처리에 이용할 경우 수질개선에 미치는 영향을 실험분석함을 목적으로 하였다.

(2) 실험대상

본 실험의 대상은 영산강 상수원을 실험대상으로 하여 상수원수로 문제가 되는 NH₃-N과 T-N(총질소)제거효율을 실험분석하였다.

상기한 바와 같이 암모니아성 질소의 제거효과는 큰 변화를 볼 수 없었지만 시간이 경과함에 따라 암모니아를 제거할 수 있는 미생물이 서식하기 시작하면서부터 차츰차츰감소하여 2주일 이후부터는 아주 소량만이 배출되는 것을 볼 수 있어 암모니아의 제거에 상당한 효과가 있는 것을 알 수 있다.

한편, 최근 정수원의 오염으로 많은 문제가 발생함에 따라 1999년 1월 1일부터 총 질소의 배출량을 규제할 방침에 있다. 따라서 본 연구자들도 같은 장치에서 실험하는 과정에서 총 질소의 제거효과도 비교분석하여 보았다.

도시하듯이 총 질소를 처음에는 많이 제거되지 않았으나, 시간이 지나면서 질화미생물이 서식하기 시작하면서부터 감소하기 시작하여 약2주일이 지나면서부터 총 질소의 양이 극미량 배출되는 것을 볼 수 있다. 따라서 질산염의 분해효과도 매우 높은 것을 볼 수 있다.

상기와 같은 제거효율은 현재까지 보고된 어떠한 소재와 방법보다 월등한 효과를 나타낸 것으로 평가되며, 시설비용과 운전방법이 용이하고 안정한 것으로 경제성도 매우 우수할 것이라 사료된다.

Claims

제오라이트, 일라이트, 규석, 고령토, 활석, 장석, 세라이트, 인회석 등의 원료를 선별하여 이물을 제거하는 원료선별공정, 선별된 원료를 종류별로 가열처리에 의해 결정수·층간수를 분리하여 소공극을 만들어 주는 원료전처리공정, 전처리된 원료를 규석 20∼30%, 제오라이트 20∼30%, 일라이트 5∼10%, 고령도 5∼10%, 장석 5∼10%, 세라이트 5∼10%, 활석 5∼10%, 인회석 5∼10%, 기타 미량 원소로써 규조토, 세륨, 명반석, 게르마늄, 코디라이트, 석류석, 일메나이트, 사문석, 형석, 운모, 백운석, 파이로필라이트, 질석, 알루미나, 수산화알루미나, 지르코늄, 혹은 우골 등의 재료에서 1이상 선택 배합한 것 1∼5% 배합된 원료를 구형·그래뉼(불규칙입자)·원통·뿔통·공 등의 형태로 성형하는 공정, 성형된 공정을 자연건조하거나 110℃에서 18∼24 건조하는 공정, 건조된 것을 1050∼1150℃에서 20∼24시간 가열처리하는 공정으로 구성되는 수질°대기생물학적 처리용 합성활성세라믹 미생물담체의 제조공정.
제오라이트, 일라이트, 규석, 고령토, 활석, 장석, 세라이트, 인회석 등의 원료를 선별하여 이물을 제거하는 원료선별공정, 선별된 원료를 종류별로 가열처리에 의해 결정수·층간수를 분리하여 소공극을 만들어 주는 원료전처리공정, 전처리된 원료를 규석 20∼30%, 제오라이트 20∼30%, 일라이트 5∼10%, 고령도 5∼10%, 장석 5∼10%, 세라이트 5∼10%, 활석 5∼10%, 인회석 5∼10%, 기타 미량 원소로써 규조토, 세륨, 명반석, 게르마늄, 코디라이트, 석류석, 일메나이트, 사문석, 형석, 운모, 백운석, 파이로필라이트, 질석, 알루미나, 수산화알루미나, 지르코늄 혹은 우골 등의 재료에서 1이상 선택 배합한 것 1∼5% 배합된 원료를 구형·그래뉼(불규칙입자)·원통·뿔통·공 등의 형태로 성형하는 공정, 성형된 공정을 자연건조하거나 110℃에서 18∼24 건조하는 공정, 건조된 것을 1050∼1150℃에서 20∼24시간 가열처리하는 공정으로 구성되는 수질°대기생물학적 처리용 합성활성세라믹 미생물담체의 제조공정에 의하여 제조되는 직경 0.01∼0.09㎜ 정도의 소공극이 30∼70% 분포되고, 0.2㎛∼10㎛정도의 미세공극이 70∼30% 정도 분포되는 것을 특징으로 하는 활성미생물 담체.
담체내 공극율이 70% 이상이며, 직경이 2∼14㎜인 구형 또는 불규칙 입자형태의 것과 직경이 10∼40㎜인 원통·뿔통·공모양인 것을 특징으로 하는 생물학적 처리용 합성활성미생물 담체.