KR100230522B1 - 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기성 폐기물 처리시 발생하는 악취를 제거하는데 이용되는 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다공체를 제조하는 방법은 칼슘-규산질 다공체를 축분과 부피비로 1 : 1로 하여 하루 3-4회씩 교반하면서 20일간 발효시킨후, 축분만 더 투입한 상태에서 상기 공정을 3회 이상 반복하여서 제조를 한다.

이 처리과정중 다공체가 축분과 혼합되어 있는 동안 다공체의 표면 및 기공내 표면의 CaO는 축분에 용출, 탄산화되고 동시에 인산성분과 반응하여 불용성인 칼슘인산염을 형성한다.

본 발명에 의해 제조된 다공체는 생물학적 탈취 시스템의 미생물 담체로 사용할 때 수분과 접촉하더라도 Ca²⁺이온 용출이 크게 저하되어, pH상승을 일으키지 않으므로 항상 중성을 유지, 미생물이 장기간 생존토록 함으로써, 탈취기의 처리효율이 안정을 이루어 장기간 운전이 가능하여 설비 유지 코스트가 절감되고, 반영구적으로 사용하게 되어 시스템 적용이 용이해진다.

Description

중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체의 제조방법

본 발명은 유기성 폐기물 처리시 발생하는 악취를 제거하는데 이용되는 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 통상의 칼슘-규산질 다공체 표면 및 기공내 표면의 CaO를 인산성분이 포함된 축산분뇨로 중화반응시켜, 칼슘-규산질 다공체가 수분과 반응시 Ca⁺²이온이 용출되어 pH가 상승하는 것을 방지하므로서 미생물이 잘 번식하기 위한 최적조건을 가진 새로운 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 미생물 담체로서의 조건은 첫째, 미생물의 생존이 지속되도록 각종 생물학적 환경오염 방지시스템 (축분 퇴비화 설비, 하수 처리장의 탈취탑, 음식물 쓰레기 처리시스템 등)의 운전 환경속에서도 중성(pH 6 ∼ 8)이 되어야 하고,둘째, 표면적/수분부유량/흡착용량이 크고, 압력손실이 적도록 통기성이 좋아야 하며,셋째, 입자의 크기는 약 4 ∼ 20 mm가 적당하고, 간극 및 함수율이 일정하게 유지되어야 하며, 입도분포가 균일해야 한다.

최근 축산분뇨, 하수처리장, 음식쓰레기 등에서 나오는 유기성 폐기물을 처리하는데 발생되는 악취를 제거하기 위한 연구가 다각적으로 연구되어 오고 있다. 악취를 제거하기 위한 방법으로는 물리학적, 화학적 또는 생물학적 방법이 있다.

일반적으로 사용되고 있는 물리학적 방법은 물로 세척하는 수세법, 활성탄 등으로 악취를 흡착하여 제거하는 흡착법등이 있으며, 화학적 방법으로는 300 ∼ 800℃의 고온으로 연소, 분해하는 연소법과 화학약품으로 세정하는 약액세정법, 오존산화법 등이 있다.

그러나, 이러한 물리학적 또는 화학적 방법은 유지관리비가 비싸고, 고가이면서 처리효율면에서 안정적이지 못하고, 2차 오염문제가 있기 때문에 현재는 생물학적 탈취법을 도입하는 추세이다.

생물학적 탈취법으로 토양탈취법이 잘 알려져 있는데, 이 방법은 악취성분을 토양층에 송기하면 수분에 용해되던지, 화학적 분해를 받던지하여 흡착되고, 토양층의 미생물이 유기물과 무기물을 영양으로 섭취하여 이들의 냄새성분을 분해하게 된다. 이 방법은 운영경비가 비교적 싼 편이나 넓은 부지 및 살수와 배수설비가 필요하다(월간 첨단환경기술 1996. 10월호, 악취현황과 탈취 신기술).

이와 같은 토양탈취법의 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 충전탑식 생물학적 탈취시스템에 대한 연구 및 도입이 한창인데, 이 시스템의 성공여부는 가격이 저렴하고, 제조가 간단하며, 미생물 생존이 장기간 지속되어 효율이 높은 탈취가 계속될 수 있는 미생물 담체 제조가 핵심기술이다.

따라서, 생물학적 처리시 핵심소재인 미생물 담체의 연구도 활발히 진행중이다. 우선 국내에 소개된 방법을 알아보면, 입경이 3 ∼ 5 mm인 제올라이트, 입상석회 및 무기염용액을 8 : 1 : 1의 체적비로 고르게 혼합한 여재 1㎖당 탈취 미생물 혼합배양액을 약 10⁸개 고정시킨 미생물담체를 사용하는 것이 소개된 바 있다(한국 공개 특허 공보 제95-3185호).

한편, 칼슘-규산질 다공체는 발포제를 물과 혼합하여 기포발생 교반기에서 교반후 규산질과 여러 가지 흡착제를 혼합하고, 2차 교반한 뒤 습식양생시켜 경화체를 제조하고 원하는 형태로 형상을 조절한 뒤 오토클레이브에서 고온고압으로 양생시키는 통상의 방법으로 제조된다.

상기 방법으로 제조된 칼슘-규산질 다공체는 내구성 및 흡수성, 그리고 통기성이 뛰어나고, 표면 및 내부기공의 단면적이 넓어 미생물의 흡착능력이 뛰어나 유기성 폐기물의 처리시 기존의 일반 흡착제(활성탄 등)보다 우수한 특성을 보유하고 있으나, 수분과 접촉하면 담체의 표면 및 기공내 표면의 Ca⁺²이온의 용출로 인한 pH증가로 미생물의 번식 및 생존이 짧아져 탈취기의 효율이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 담체로서의 기능이 톱밥이나 다른 경량 다공질 흡착제보다 우수한 수분조절능력, 탈취성능, 통기성이 있음에도 불구하고, 수분과 접촉시 pH증가로 탈취시스템 가동시 담체에 미생물의 부착, 배양이 곤란하여 실제 사용에 어려운 점이 있다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 칼슘-규산질 다공체를 축산분뇨로 중화반응을 시켜, 다공체가 수분과 접촉시 Ca⁺²이온이 용출되는 것을 방지하여 최근 문제되고 있는 유기성 폐기물(예를 들어, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 오니 및 하수처리장의 각종 슬러지) 처리시 발생하는 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 유지관리비가 싸고, 제조방법이 간단하며, 저가이면서 처리효율이 안정적인 악취제거용 미생물담체를 제공함과 아울러 중화반응 중간단계에서는 고질적 유기성 폐기물인 축분을 소멸화시키고, 최종 처리단계에서 남는 잔존 유기물은 퇴비로 활용하는 두가지 효과를 동시에 이루고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 다공질체와 돈분과의 중화반응시 시간경과에 따른 pH의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 칼슘-규산질 다공체 표면 및 기공내 표면의 CaO를 인산성분이 포함된 축산분뇨로 중화반응시켜, 칼슘-규산질 다공체가 수분과 반응시 Ca⁺²이온이 용출되어 pH가 상승하는 것을 방지하므로서 미생물이 잘 번식하기 위한 최적조건을 가진 새로운 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체를 제조하는 방법에 대한 것으로 본 발명의 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체는 다음과 같은 방법으로 제조된다.

우선 교반식 퇴비화 설비에 칼슘-규산질 다공체를 깔고, 슬러지 상태의 축분을 상기 칼슘-규산질 다공체의 부피비가 1 : 1이 되도록 그 위에 붓는다. 이들을 하루 3 ∼ 4 회씩 교반하면서 20일간 발효시킨다.

이와 같은 1차 반응이 완료된 후 축분을 더 투입한 상태에서 3회에 걸쳐 반복해서 발효시킨다.

이와 같은 방법에서 칼슘-규산질 다공체의 CaO는 용출되어 탄산화되고, 동시에 축분중의 인과 반응하여 불용성 칼슘인산염을 형성하여 차후 수분과 접촉하더라도 Ca⁺²이온의 용출이 크게 저하되어 pH상승을 일으키지 않게 된다. 이 과정을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

Ca⁺²+ PO₄ ^3-→ CaHPO₄

그 다음 4 ∼ 20 mm 사이로 체질을 하여 잔존물에서 다공체를 걸러내어 최종 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체를 얻는다. 더불어 다공체와 분리된 물질은 유기질 성분이 풍부한 비료로써 활용이 가능하여 효용성을 증진시킬 수 있다.

참고로 축분의 비료성분 함량은 다음 표와 같다.

측정항목	단위	전량기준	습량기준	파운드/톤(습량기준)
총질소	%	1.671	0.286	5.7
유기태질소	%	1.271	0.217	4.3
암모늄형-H(NH4-N)	ppm	4004	685	1.4
총질소에 대한 휘발성 질소	w:w	-	2.3	-
인(P)	%	0.952	0.163	3.3
칼륨(K)	%	0.870	0.149	3.0
나트륨(Na)	%	0.587	0.100	2.0
칼슘(Ca)	%	11.506	1.968	39.4
마그네슘(Mg)	%	0.886	0.152	3.0

본 발명에 따라 제조된 중성화된 담체는 생물학적 탈취 시스템의 미생물 담체로 사용할 때 수분과 접촉하더라도 항상 중성을 유지할 수 있으며, 미생물이 장기간 생존토록 함으로써, 탈취기의 처리효율이 안정을 이루어 장기간 운전이 가능하여 설비 유지 코스트가 절감되고 반영구적으로 사용하게 되어 시스템 운영이 용이해 진다. 그리고 다공체와 분리된 잔존물은 양질의 유기질 퇴비로 활용해도 손색이 없다.

실시예

본 발명에서 중화반응 시간경과에 따른 pH변화의 추이를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 하였다.

300kg 용량의 교반기에 칼슘-규산질 다공체 120kg을 깔고 그 위에 돈분 120kg을 넣은 다음 하루 3 ∼ 4회씩 교반하면서 20일간 발효시켰다. 그리고 일부를 채취, 체질을 하여 4 ∼ 20 mm의 다공체를 걸러내었다. 이러한 작업을 3회에 걸쳐 실시하면서 매 단계마다 다공체를 증류수와 부피로 1 : 10으로 혼합한 다음 시간경과에 따른 원시료의 pH 측정 결과 도표로 나타내었다. 그 결과 시간경과에 따라 원시료의 pH 10.3이 점차 낮아지면서 3회 숙성된 다공체의 pH는 7.2로 중성화되어 가는 것을 확인할 수 있었다(도 1참조)

도 1에서 시료 1은 중화반응을 거치지 않은 순수다공체의 pH변화를 나타낸 것이고, 시료 2는 1차 중화반응시킨 다공체의 pH변화를 나타낸 것이며, 시료 3은 2차 중화반응시킨 다공체의 pH변화를 나타낸 것이고, 시료 4는 3차 중화반응시킨 다공체의 pH변화를 나타낸 것이다.

지금까지 설명한 방법으로 미생물 담체로서는 우수한 여러 장점을 지니면서도 생물학적 탈취기에 미생물 담체로서 사용할 때, 수분과 접촉하면 Ca⁺²이온이 용출되어 pH가 상승하는 문제를 해결한 새로운 중성화된 칼슘-규산질 다공체를 만들 수 있었다. 이 담체는 장기간 사용하더라도 기계적 강도 및 내구성이 좋아 취급하기도 편리하고 다공질이기 때문에 통기성도 우수하여 생물학적 탈취 시스템에 적용시 압력손실이 줄어들어 미생물 담체를 반 영구적으로 사용함으로써 운영에 대한 노력 및 코스트가 크게 줄어들 수 있다. 또한 담체 중화반응 처리 중간단계에서는 고질적인 유기성 폐기물인 축분을 90%이하로 소멸시킬 수 있으며, 3차 최종처리시 다공체와 분리한 잔존물은 유기질 비료로 활용할 수 있는 이중적 효과가 있다.

Claims (1)

1. 교반식 퇴비화 설비에 통상의 방법으로 제조된 칼슘-규산질 다공체를 슬러지 상태의 축분과 부피비가 1 : 1이 되도록 넣고 하루에 3 ∼ 4 회씩 교반하면서 20일간 발효시킨 후, 축분을 더 투입한 상태에서 상기 공정을 3회에 걸쳐 반복해서 실시한 다음 체분리하여서 제조됨을 특징으로 하는 중성화된 미생물 담체용 칼슘-규산질 다공체의 제조방법.

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