KR100319341B1 - 용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어 제네레이터에 의한 미세 기포발생장치와 미생물을 고정화시키는 현수식 담체를 이용하여 용존산소(DO)와 생물 반응효과를 크게 향상시킨 고정화 생물반응조(Immobilized Bioreactor)에 관한 것으로, 반응조(4)의 중앙부에 순환실(14)(16)을 갖는 상부 격리조(10)와 하부 격리조(12)를 각각 설치하여 반응조 (4)와 격리조(10)(12) 사이에 담체실(6)(8)을 형성한 다음 현수식 담체(76)를 걸어 설치하고, 반응조(4)의 하부 모서리 부분과 격리조(12)의 하부에 경사판(50)과 경사부(52)를 빙둘러 설치하고, 상부 격리조(10)의 하부에 용액(폐수, 기질 등)과 공기를 혼합시키면서 파쇄하는 에어 제네레이터(18)를 설치하여 에어 제네레이터(18)를 중심으로 폐수가 순환되게 함으로써 용액(폐수, 기질 등)중으로 유입되는 기포가 임펠러(20)에 의한 유속(수류)의 충격력에 의해 미세입자로 부서지면서 폐수 중으로 산소가 더욱 잘 용존되게 한 것이다.

Description

용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조{Immobilized Bioreactor Increased in Dissolved Oxygen}

본 발명은 에어 제네레이터에 의한 미세 기포발생장치와 미생물을 고정화시키는 현수식 담체를 이용하여 용존산소량(DO)과 생물반응 효과를 크게 향상시킴으로써 염색가공폐수ㆍ산업폐수ㆍ도시하수ㆍ축산폐수 및 생활 오ㆍ폐수ㆍ 침출수 처리ㆍ호기성 생물을 이용한 각종 폐수처리장ㆍ각종 미생물 및 효소반응기 공학 프로젝트 등에 적용할 수 있는 고정화 생물반응조(Bioreactor)에 관한 것이다.

일반적으로 미생물의 배양이란 인공적인 환경하에서 미생물을 증식시키는 것으로 미생물의 연구와 발효공업 등의 생물산업에 필요 불가결한 조작으로 고체배양 혹은 액체배양에 의해서 이루어진다.

배양을 목적에 따라서 보면, 미생물의 분류와 동정을 위해서 행하는 경우와 미생물의 생리적ㆍ생화학적 연구와 생산물의 취득을 위한 배양목적으로 대별된다.

생물반응조(Bioreactor)는 그 안에 효소나 미생물(생세포)의 활동에 의해 생화학적 변화가 일어나게 하는 기구이며 생화학 및 생물공학 연구와 생물을 이용한 산업에 필수적인 장치이다.

생물반응조는 흔히 발효조라 하는데 생세포가 생산하는 세포성분 및 효소에 의해서 변화가 수행된다. 생물반응조는 생산목적 및 사용하는 생물의 종류에 따라 여러가지 형태와 종류가 있으며 가장 일반적인 생물반응조로 교반 탱크발효조 (Stirred-Tank Fermenter)가 있다.

상기 교반 탱크발효조는 산업적인 발효에 가장 널리 사용되는 장치로 미생물, 동물 또는 식물세포를 포함하는 넓은 범위의 세포의 호기나 혐기 발효에 모두 쓰여질 수 있다.

발효조의 혼합강도는 적당한 교반기 형태의 선택과 교반속도를 변화시킴으로써 다양하게 변화시킬 수 있다. 기계적인 교반과 폭기는 세포의 부유, 산소공급, 배지혼합, 열 전달 등에 효과적이다.

한편, 각종 생활하수와 오수 또는 축ㆍ수산 폐수나 산업폐수 처리에서 생활하수 등의 오염원을 제거하고 정화하여 생물학적 산소 요구량을 적정 수준으로 조절하기 위한 생물학적 처리공정에 생물반응조를 사용하며, 이러한 목적의 생물반응조 중에서 호기성 생물반응을 유도하는 생물반응조는 용액에 기포를 불어넣어 기포내의 산소가 용해되게 함으로써 용존산소량을 증가시키는 포기기(泡起機)와 반응조내부의 액체가 적절히 혼합되게 하는 목적을 가진 교반기가 설치 운용되고 있다.

이들 생물학적 오ㆍ폐수처리에 사용하는 생물반응조는 소·대규모의 오ㆍ폐수 처리시설에 사용되고 있으나, 이들에 사용된 교반기는 액체의 혼합과 폭기만을 목적하는 구조로 되어 있어서 큰 물보라만을 발생시킨다.

또 포기기에 의해 생성된 기포는 용액 중에 포기된 즉시 수면위로 비상하여 하수 내에 산소를 효율적으로 전달시키지 못하는 결함을 가지고 있다. 따라서 가동비가 상승하는 폐단이 있다.

미생물 고정화는 반응조 내부에 유동상 또는 고정상 담체를 설치하고 이 담체에 미생물을 고착시켜 배양하는 방법이다. 고정화 미생물 배양은 같은 용량의 현탁 반응조와 비교하여 더 높은 미생물 농도를 유지할 수 있다는 장점이 있다.

따라서, 고정화 미생물 배양법은 생산을 목적으로 하는 생물산업에서 공정의 연속화, 반응장치의 소형화 및 생산물의 분리가 용이한 등의 효과가 있다.

미생물을 고정화시키는 담체는 사용하는 미생물과 생산목적에 따라서 선택할 수 있다. 예컨데 에탄올(ethanol), 아미노산(amino acid), 백신(vaccine)등을 생산하는 발효공정에서는 담체를 이용하여 세포를 포괄, 응집, 흡착시키는 방법으로 고정화시키며, 담체는 다공성 고분자 섬유, 음이온 교환제, 알지네이트, 아가로스, 카라지난, 실리카겔, 활성탄, 유리개량 물질, 셀룰로오즈, 마이크로 캡슐 등을 사용한다.

오·폐수 처리를 목적으로 하는 생물학적 수(水)처리에서는 담체의 설치형태에 따라 고정상과 유동상 담체로 나눌 수 있으며, 담체를 사용한 대표적인 생물학적 수(水)처리방법은 살수여상법과 회전식 생물막 접촉법 등이 있다.

이 때 사용하는 담체는 석재와 플라스틱 여재 등이다. 또 탄성이 우수한 고분자 섬유소재를 이용한 고정화 생물반응조가 있다. 고정화 생물반응조에서 고려해야할 사항은 미생물의 고정화 상태, 반응조의 혼합강도, 산소전달 효율, 담체의 내구성과 무독성 등이다.

본 발명에서는 보다 효율적인 생산성 증대를 위해서 반응기내에 고농도의 활성미생물을 유지하기 위해 현수식 담체에 미생물을 고정화하는 방법을 채택하였다.

또한, 생물학적 오ㆍ폐수 및 하수 처리장치는 오염된 오ㆍ폐수 및 하수 중에 함유되어 있는 각종 유기물질을 배양물질로 하여 용존산소가 존재하는 호기성 상태하의 폭기조 내에서 미생물 혼합액을 반복적으로 순환시키면서 미생물을 다량으로 배양하고, 배양된 미생물로 하여금 오ㆍ폐수 및 하수 중에 혼합된 유기물질을 호기성 상태에서 산화, 분해, 응집, 흡착 및 침전 등의 단계적인 과정을 통해 제거하도록 함으로써 폐수를 정화ㆍ처리하는 것이다.

본 발명에서 증식시킬 수 있는 호기성 미생물로는 주글레아(Zoogloea), 바실러스 (Bacillus), 플라보박테리움(Flavobacterium), 에세리치아(Escherichia), 슈도모나스(Pseudomonas), 에어로박터(Aerobacter), 파라콜로박테리움(Paracolobacte-rium)속의 세균, 효모 등의 균류, 원생동물 등을 들 수 있을 것이다.

본 발명은 미생물을 고정화시키는 현수식 담체와 에어 제네레이터에 의한 미세기포발생장치를 이용하여 미생물을 액체 배양하는 생물반응조의 용존산소량(DO)을 증가시켜 생물 반응효과를 크게 향상시키도록 함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 상부가 개방된 원통형 반응조의 중앙부에 순환실을 갖는 상부 격리조와 하부 격리조를 각각 설치하여 반응조의 내부벽과 격리조 사이에 담체실을 형성한 다음 현수식 담체를 걸어 설치하도록 하고, 반응조의 하부 모서리 부분과 격리조의 하부에 경사판과 경사부를 빙둘러 설치하고, 상부 격리조의 하부에 폐수(물)와 공기를 혼합시키면서 파쇄하는 순환펌프와 공기를 공급하는 에어 제너레이터를 설치한다.

반응조로 유입되는 공기는 수중모터에 장착된 임펠러가 일으키는 유속(수류)의 충격력에 의해 미세입자로 부서지면서 수중모터로 유입되는 폐수와 혼합되고 산소가 더욱 잘 용존되게 한다.

또한, 반응조의 내부로 유입된 폐수는 미세기포와 혼합되면서 수중모터에서 각각 상ㆍ하부 격리조로 밀려나간 다음 각 격리조에 설치된 담체에 고착되어 있는 미생물과 접촉하여 반응하면서 외부 격리조를 통과하여 내부 순환실로 이동한 다음 다시 순환 펌프로 들어간다. 이는 일반적인 생물반응조와는 다른 형태로 순환하는것이다.

따라서, 폐수의 용존산소량이 크게 증가하고, 현수담체에 고정화된 미생물이 증식 배양되면서 폐수 중에 혼합된 유기물질을 호기성 상태하에서 산화, 분해, 응집, 흡착 및 침전 등의 과정을 통해 제거함으로써 폐수가 효율적으로 정화되도록 한 것이다.

도 1 - 본 발명의 단면 구성도.

도 2 - 본 발명의 평단면도.

도 3 - 종래 생물반응조에 사용한 현수담체(가).

도 4, 도 5 - 본 발명 고정화 생물반응조에 사용할 수 있는 현수담체(나).

도 6 - 본 발명의 효율을 실험하기 위하여 제시한 본 발명의 생물반응조 와 여타의 생물반응조의 구조를 도시한 도면.

도 7 - 본 발명 생물반응조와 여타 생물반응조의 회분식 염료제거효율 비교 그래프도.

도 8 - 본 발명 생물반응조와 여타 생물반응조의 연속식 염료제거효율 비교 그래프도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(2)--생물반응조 (4)--반응조(반응탑)

(6)(8)--담체실 (10)(12)--격리조

(14)(16)--폐수 순환실 (18)--에어 제네레이터

(20)--임펠러 (22)(24)--폐수 유입구

(26)--수중모터 (28)--유출구

(30)--급기관 (32)--완충실

(34)--폐수 (36)(38)--출수구

(40)--공기펌프 (42)--연결관

(44)--인양가대 (46)--와이어

(48)--반응조 바닥 (50)--경사판

(52)--경사부 (54)(58)(62)--밸브

(56)--드레인관 (60)--급수관

(64)--출수관 (66)--링

(68)(70)(72)(74)--지지봉 (76)--현수담체

(78)--투시창 (80)--손잡이

(82)--맨홀 (84)--소포장치

(86)--솜 (88)--실

(90)--지선

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명 생물반응조(2)의 구성도로, 수압에 충분히 견딜수 있는 고강도와 내화학성을 갖는 재질, 이를테면 스텐레스와 같은 금속이나 고강도 수지재로 둥근 수조형상의 반응조(또는 반응탑)(4)를 구성하고, 반응조(4)의 중앙부에 상부 격리조(10)와 하부 격리조(12)를 각각 설치하여 반응조(4)와 격리조(10)(12) 사이에 평면이 도너츠 형상인 담체실(6)(8)을 형성하고, 상부 격리조(10)의 하부에 폐수(물)와 공기를 혼합시키면서 파쇄하는 에어 제네레이터(18)를 설치한다.

상기 격리조(10)(12)는 상ㆍ하 개방구조의 폐수 순환실(14)(16)이 형성되며, 에어 제네레이터(18)는 공기 및 폐수가 유입되는 상ㆍ하 유입구(22)(24)와, 임펠러(20)를 회전시키는 수중모터(26)와, 상ㆍ하 유입구(22)(24)로부터 공기와 폐수를 흡입 및 혼합시키면서 유출구(28)로 배출시키는 임펠러(20)와, 외부공기를 공급하는 급기관(30)으로 구성된다.

또한, 수중모터(26)는 모터 드라이버를 이용하여 회전속도를 300rpm ~ 700rpm으로 가변할 수 있도록 하고, 임펠러(20)는 횡류팬이나 스크류형 또는 디스크형의 임펠러를 복수 개 사용하거나 이들을 혼용하여 사용할 수 있으며, 에어 제네레이터(18)의 내부에 설치되는 임펠러(20)는 급기관(30)으로부터 공급되는 기포입자를 충격요법으로 잘게 파쇄시켜 폐수(34) 중으로 용존이 쉽도록 함으로써 용존산소량을 크게 증가시키도록 한다.

한편, 에어 제네레이터(18)가 설치되는 상부 격리조(10)를 수직 일직선으로 형성하면 에어 제네레이터(18)가 차지하는 만큼의 격리조(10) 공간이 축소되고, 이에 따른 유수(流水) 정체요인이 있으므로 본 발명에서는 상부 격리조(10)의 하부에 격리조(10) 바깥으로 확장되는 완충실(32)을 형성하여 손실공간을 보상함으로써 폐수(34)가 원할히 순환할 수 있도록 한다.

에어 제네레이터(18)의 유출구(28)로부터 배출되는 폐수(34)가 완충실(32)의 상ㆍ하부에 형성되는 출수구(36)(38)를 통하여 담체실(14)(16)로 이동하게되며, 상기 완충실(32)의 완충효과에 의해 공기와 폐수의 믹싱효율이 약 10% 상승하고 용존산소의 밀도가 균일해지는 효과가 있다.

한편, 도 1과 같이 출수구(36)를 통하여 상부 담체실(6)로 상승한 다음 상부 순환실(14)로 유입되는 폐수는 에어 제네레이터(18)의 상부 유입구(22)로 흡입되면서 공기와 혼합된 다음 유출구(26)로 출수되어 강제 순환하도록 하고, 출수구(38)를 통하여 하부 담체실(8)로 하강한 다음 하부 순환실(16)로 유입ㆍ상승되는 폐수 (34)는 에어 제네레이터(18)의 하부 유입구(24)로 흡입되어 공기와 혼합된 다음 유출구(26)로 강제 출수되어 순환되게 함으로써 용존산소량 증가와 폐수 정화효율을향상시키도록 한다.

폐수(34)의 상수면은 상부 격리조(10)와 같거나 조금 높은 정도로 하여 상부 담체실(6)의 폐수가 임펠러(20)를 중심으로 대류 순환할 수 있도록 하고, 상부 순환실(14)에는 급기관(30)을 상향 설치한 다음 에어 제네레이터(18)의 유입구(24)에 연결하여 에어 제네레이터(18)로 유입되는 폐수(34)중으로 다량의 공기가 버블링 (bubbling)되게 함으로써 용존산소량을 크게 증가시키도록 한다.

상기에서 에어 제네레이터(18)에 연결되는 급기관(30)은 도 2와 같이 4개 전후의 복수 개로 설치하고, 상기 급기관(30)의 일측에 공기펌프(40)와 연결되는 연결관(42)을 연결하여 에어 제네레이터(18)로 다량의 공기를 공급할 수 있도록 하고, 서로 연결되는 급기관(30)의 상부에는 인양가대(44)를 설치하여 필요한 경우 연결된 와이어(46)로 에어 제네레이터(18)를 상승시켜 용액 바깥에서 수리 및 교체할 수 있도록 한다.

반응조(4)의 바닥(48)과 접하는 모서리 부분에는 경사판(50)을 빙둘러 설치하여 폐수(34)의 와류발생을 억제시킴으로써 하강하는 폐수(34)가 순환실(16)로 상승하는 것을 돕도록 한다.

또한, 담체실(8)을 하강하여 순환실(16)로 상승하는 폐수(34)가 격리조(12)의 하단부를 통하여 순환실(16)로 곧바로 상승하면 순환면적이 줄어 들어 용존산소량이 떨어지므로 본 발명에서는 격리조(12)의 하단부에 밑으로 향 할수록 점차적으로 벌어지는 경사부(52)를 빙둘러 형성하여 상승 선회하는 폐수(34)가 상기 경사부(52)에 의해 충분한 공간을 경유(점유)하여 순환하도록 함으로써 폐수와 산소의 접촉시간을 연장시켜 용존산소량을 크게 증가시키도록 한다.

상기에서 공급 공기를 산기석(에어스톤)으로 버블링하는 종래 반응조의 경우, 공급되는 공기의 약 3% 정도만 폐수 중으로 용존되는 효과가 있었으나, 반사판 (50)과 경사부 (52)를 갖는 본 발명의 경우 공급되는 공기의 약 15%까지 균일한 밀도로 용존되는 효과가 있다.

상기에서 경사판(50)의 일측에는 밸브(54)를 갖는 드레인관(56)을 설치하여 청소나 수리 및 필요에 의해 폐수(34) 및 슬러지를 반응조(4)의 바깥으로 배출시킬 수 있도록 한다.

반응조(4)의 상부에는 밸브(58)를 갖는 급수관(60)을 설치하여 처리대상 원수를 연속적이거나 비연속적으로 공급할 수 있도록 하고, 완충실(32)의 일측에는 밸브(62)를 갖는 출수관(64)을 반응조(4)의 바깥으로 노출되게 설치하여 처리된 폐수를 반응조(4)의 바깥으로 연속적이거나 비연속적으로 배출시킬 수 있도록 한다.

반응조(4)의 상ㆍ하부에는 담체실(6)(8)을 들여다 볼 수 있는 투시창(78)과 여닫이용 손잡이(80)를 갖는 맨홀(82)을 설치하여 현수담체(76)를 수리 및 교환하거나 반응조(4)의 내부수리가 필요한 경우 작업자가 상기 맨홀(82)을 통하여 담체실 (6)(8) 내부로 출입할 수 있도록 하고, 반응조(4)의 상부에는 소포장치(84)를 설치한다.

담체실(6)(8)의 상ㆍ하부에는 도 2와 같이 반응조(4)의 중심부로 향하는 복수 개의 지지봉(68)(70)(72)(74)을 등간격으로 고정하고, 지지봉(68)(70)(72)(74)의 표면에는 직경이 각각 다른 둥근형상의 링(66)을 등 간격으로 각각 고정시켜 현수담체(76)의 양단부를 걸어 고정할 수 있도록 하고, 현수담체(76)의 양단부에는 도시되지 않은 탄지스프링 또는 턴버클을 이용하여 현수담체(76)의 적정장력을 유지하도록 함이 바람직하다.

본 발명에서 담체실(6)(8)에 설치되는 복수 개의 현수담체(76)는 도 1, 도 2와 같이 서로 접촉하지 않는 간격으로 조밀하게 설치하여 많은 수의 미생물이 고착할 수 있도록 하며, 또한 다량의 산소가 용존된 폐수(34)가 원할히 순환할 수 있도록 한다.

한편, 담체실(6)(8)에 설치하는 현수담체(76)는 도 3과 같이 솜(86)을 뭉쳐 놓은 형상의 담체(76a)를 사용하는 경우 비표면적이 떨어질 뿐 아니라 초기에는 미생물의 고정화와 폐수 처리능력이 좋은 편이나 시간이 지날수록 담체(76a)의 내부부터 썩는 현상이 발생하므로 폐수 처리능력이 점차적으로 떨어진다.

따라서, 본 발명에서는 도 3과 같은 형상의 담체(76a) 보다는 도 4와 같이 성게가 일정간격으로 붙어 있는 형상으로 비표면적이 큰 담체(76)를 사용하여 수 많은 공간이나 구멍이 형성되어 미생물이 거주할 수 있는 주거공간을 가지면서 불용성이면 만족하며, 따라서 종래 담체와 같이 썩는 현상이 방지되어 반영구적이고 폐수 처리능력이 향상된다.

본 발명에서 사용하는 상기 현수담체(76)는 반영구적인 내화학성 실(88)과 지선(90)을 네모 케이스에 엉키도록 집어넣은 다음 셋팅시켜 고정함으로써 비표면적을 최대한 확장시키도록 하고, 또한 물리화학적으로 안정하면서 오ㆍ폐수 중에 부유하는 입자를 신속히 부착시켜 부착되는 오니의 탈락현상을 방지할 수 있는 구조와 재질이 요구되며, 생물막의 표면은 산화되고 현수담체(76)의 내부에서는 호기성 뿐 아니라 혐기성 분해가 동시에 발생하여 슬러지의 대부분이 CO₂, NH₃, CH₄가스로 분해 제거되어 잉여오니의 발생이 거의 없는 정도이면 만족한다.

본 발명은 에어제네레이터(18)와 생물반응조의 특이한 구조 예컨데, 반응조의 하부에 설치되는 경사판과 경사부 및 완충실 구조를 이용하여 용존산소를 크게 향상시킨 만큼 본 발명에 사용하는 현수식 담체는 효율이나 수명에 다소간 차이가 있더라도 여타 종류의 현수담체를 사용할 수 있음은 물론이다.

미 설명 부호 (92)는 압력계, (94)는 발판, (96)은 핸드레일이다.

이와 같이 구성하여서 된 본 발명은 급수관(60)으로 처리대상 원수를 공급하면서 연속적이거나 비연속적으로 폐수를 정화처리하게 되는 것으로, 급기관(30)으로 공급되는 공기는 폐수(34) 중으로 용존되나 임펠러(12)의 회전력으로 발생하는 유속 (수류)과 충돌되게 함으로써 이 충격력에 의해 폐수(34) 중으로 용존되는 기포 입자가 미세하게 부서지면서 임펠러(20)를 중심으로 대류ㆍ순환하게 되므로 폐수 (34) 중으로 더욱 잘 용존되며, 따라서 폐수 중의 용존산소(DO)량이 크게 증가된다.

즉, 공급되는 폐수(34)는 복수 개로 구성된 임펠러(20)의 회전력과 유출구 (28)의 제한된 공간에 의해 준 제트 상태로 분사(water jet)되며, 분사되는 폐수는 완충실(32)에 충돌하면서 미세한 입자로 파괴되므로 폐수 중으로 쉽게 용존된다.

따라서, 폐수(34)의 용존산소량이 크게 증가하고 현수담체(76)에 고정화 된미생물이 증식 배양되며, 배양된 미생물이 폐수(34)중에 혼합된 유기물질을 호기성 상태 하에서 산화, 분해, 응집, 흡착 및 침전 등의 과정을 통해 제거함으로써 폐수 (34)가 효율적으로 정화된다.

즉, 미생물의 증식과 산화작용에 의해 생물학적으로 제거 가능한 유기물질의 대부분이 제거되며, 처리된 폐수는 출수관(64)을 통하여 외기로 배출된다.

본 발명에서 폐수 중에는 호기성, 임의성, 혐기성균이 동시에 공존하기 때문에 미생물 종류가 다양한 편이나 증식시킬 수 있는 호기성 미생물로는 주글레아 (Zoogloea), 바실러스 (Bacillus), 플라보박테리움(Flavobacterium), 에세리치아 (Escherichia), 슈도모나스(Pseudomonas), 에어로박터(Aerobacter), 파라콜로박테리움(Paracolobacterium) 속의 세균, 효모 등의 균류, 원생동물 등을 들 수 있다.

본 발명에 사용하는 미생물 고정화 현수담체(76)는 담체링에 부착된 호기성, 임의성, 혐기성균의 공생작용에 의해 잉여 슬러지의 대부분이 혐기성 분해에 의해 CO₂, NH₃, CH₄가스로 분해되어 대기중으로 방출 제거된다.

또한, 본 발명의 현수담체(76)는 단위길이 당 접촉면적이 대단히 크기 때문에 폭기조 용적이 줄어들 뿐 아니라, 잉여 슬러지 발생량이 줄어들기 때문에 침전조나 오니농축조 등의 부대시설이 축소되며, 미생물균이 고착되어 탈락하지 않기 때문에 일정 수준의 폐수 처리능력을 유지할 수 있으며, 원수부하에 대한 대응정도가 강하여 오수나 고농도 폐수까지도 처리할 수 있어서 고도처리에도 사용할 수 있다.

본 발명에서 산기관은 불필요하며, 급기관(30)이 에어 제네레이터(18)에 바로 연결되어 있고 임펠러에 의해 생성된 유속이 기포를 파쇄하므로 유체의 흐름을 방해하지 않고 접촉 여재에 오염물이 잘 접촉되므로 산소 전달이 원할하도록 구성되어 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 효율을 실험하기 위하여 본 발명의 생물반응조(2)와 여타의 생물반응조(2a)(2b)(2c)의 구조를 도시한 도면으로, "(2)"는 본 발명에서 제시한 구조의 고정화 생물반응조(2)이며, "(2a)"는 현수담체가 없고 미세기포발생장치만을 설치한 생물반응조이며, "(2b)"는 미생물 고정화 현수담체(HBC ring)만을 설치한 생물반응조이며, "(2c)"는 산기석(에어스톤)을 설치하여 공기만 주입하는 일반적인 구조의 생물반응조이다.

상기 4가지 형태의 생물반응조(2)(2a)(2b)(2c)를 사용하여 실제 염색가공폐수 대신 분산염료인 red-60을 용해시킨 처리수를 생물반응조에 투입한 다음 회분식으로 처리하는 실험과 연속식으로 처리하는 실험을 각각 실시하였으며, 또한, "(2)", "(2a)", "(2c)" 3형태의 생물반응조를 이용하여 분산염료인 blue-2bcn을 회분식 및 연속식으로 처리하여 효율을 측정하는 실험을 각각 실시하였다.

상기에서 회분식 실험이란 일정량의 배양용액과 염료를 혼합한 후 생물반응조에 주입하고 활성이 우수한 지수성장기(exponential phase)의 미생물을 일정량 접종한 후 처리실험이 끝날 때까지 어떤 요소도 추가하지 않는 실험이며, 이때의 염료 제거율은 생물반응조에서 일정량의 샘플을 채취하여 이 용액의 염료 농도를 측정하여 최초의 주입염료 농도와 비교하면 실험 결과치를 얻을 수 있게 된다.

본 실험에 사용한 염료의 농도는 50㎎/ℓ였고, 미생물 접종량은 "(2a)" 형태의 생물반응조와 "(2c)" 형태의 생물반응조에 24시간 배양한 미생물 배양액을 전체 처리용량의 10% 되게 접종하였다.

또한, 본 발명의 생물반응조(2)와 "(2b)" 형태의 생물반응조에서는 미생물이 충분히 부착된 현수담체를 사용하였으며, 생물반응조의 온도는 35℃이고 임펠러의 회전수는 500rpm 이며, 기타 배지에 추가되는 요소는 모두 동일한 조건이다.

연속식 실험은 생물반응조에 미생물이 충분히 활성을 가지고 성장하도록 미리 배양한 다음 외부에서 일정량의 염료용액을 연속적으로 생물반응조에 투입하고, 투입되는 양만큼 처리된 처리수가 생물반응조에서 유출되도록 하여 생물반응조에서 유출되는 유출수의 염료농도를 측정하여 처리효율을 구하는 실험으로, 반응조에 유입시키는 염료용액의 농도는 50㎎/ℓ이며, 반응조내에서의 수리학적 체류시간(HRT)은 10시간으로 조절하였으며, 염료제거 효율측정은 2시간 간격으로 실시하였다. 기타 조건은 회분식 실험과 같다.

연속식 염료처리는 20시간 실시하였다. 연속식 실험에서는 일정 유량에서 정상상태에 도달하여야 하며 시간별 측정치가 일정하게 유지되면 정상상태에 도달한 것으로 보고 이 때의 결과를 그 유량에서의 처리효율로 사용하였다.

분산염료(disperse dye) Red-60을 회분식으로 24시간 반응시킨 후 처리효율은 다음 표 1과 같았다.

<표 1>

생 물 반 응 조 형 태	(2)	(2a)	(2b)	(2c)
24시간 후 처리효율(%)	86.8	71.1	63.0	58.6

상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 생물반응조(2)에서의 처리효율이 가장 우수함을 알 수 있으며, 특이한 사항은 현수담체를 사용한 "(2b)" 형태의 생물반응조는 처리효율이 63%인데 비하여 본 발명의 생물반응조에서 현수담체를 제거하고 미세기포발생장치만 설치한 "(2a)" 형태의 생물반응조는 71.1%의 처리효율을 보이는 것을 볼 때, 본 발명의 생물반응조가 우수한 처리효율을 보여주는 것은 미세기포발생장치의 영향이 현수담체를 이용한 미생물 고정화에 의한 영향보다 크다는 것을 알 수 있다. 도 7에 상기 표 1의 red-60 염료의 회분식 처리실험의 시간별(6시간 간격) 염료제거율 측정결과를 나타내었다.

또한, 분산염료인 red-60을 연속식으로 실험한 결과 20시간 후 정상상태 (steady-state)에서의 처리효율은 다음 표 2와 같았다.

<표 2>

생 물 반 응 조 형 태	(2)	(2a)	(2b)	(2c)
20시간 후 처리효율(%)	84.8	67.3	49.2	42.4

상기 표 2에서 염료의 처리효율은 시간당 유출되는 염료량을 측정하여 시간당 제거되는 염료량을 구하고 시간당 유입되는 염료량에 대해 백분율로 계산한 결과이다.

또한, 이 때의 실험결과는 네종류의 생물반응조가 정상상태에 도달하여 시간변화에 관계없이 일정한 수준의 처리효율을 보일 때의 결과이다. 상기의 결과는 회분식과 마친가지로 본 발명의 생물반응조가 가장 우수한 처리효율을 보였다.

특히, 실제 산업폐수의 생물학적 처리공정은 대부분이 연속식으로 운전되고 있으므로 연속식 처리에서의 결과가 중요한데, 본 발명의 생물반응조(2)는 일반 폭기 생물반응조보다 두 배 이상의 뛰어난 처리효율을 보여주었다.

도 8에 연속식 red-60 염료처리실험(수리학적 체류시간(HRT) 10시간)의 2시간 간격의 염료처리효율 측정치 중에서 처리 12시간 후부터 정상상태에 도달한 시간까지의 염료처리효율 측정치를 나타내었으며, 20시간 이후에는 정상상태에 이미 도달되어 있음을 볼 수 있으며, 표 2와 마찬가지로 본 발명의 생물반응조가 가장 우수함을 볼 수 있다.

미세기포발생장치만 설치한 (2a) 반응조와 담체만을 설치한 (2b) 반응조의 연속식 염료처리효율 결과를 비교하면 (2b) 반응조는 일반 폭기반응조(2c)보다 red-60 염료처리 효율이 약 16% 증가하였는데 (2a) 반응조는 일반 폭기반응조(2c)보다 red-60 염료처리 효율이 약 40% 더 증가하였다.

이 결과로 보아 담체만을 설치한 반응조는 담체에 대량으로 고착된 미생물에 산소와 염료가 원활히 전달되지 않아 고농도의 미생물을 유지할 수 있었음에도 처리효율이 일반 폭기 반응조보다 크게 증가하지 않은 반면 미세기포 발생장치를 설치한 반응조는 반응기 내부에서 유체가 원활히 유동함과 동시에 용존산소와 염료가 매우 원활하게 미생물에 전달되기 때문이라고 판단된다.

분산염료인 blue-2 bcn를 회분식으로 24시간 처리한 결과 다음 표 3과 같은 처리효율을 얻었다.

<표 3>

생 물 반 응 조 형 태	(2)	(2a)	(2c)
24시간 후 처리효율(%)	87.5	79.6	76.4

이번 결과는 역시 본 발명의 생물반응조(2)가 가장 우수한 처리효율을 나타내었다. 분산염료 red-60의 회분식 처리실험의 결과를 타나낸 표 1과 비교하여 보면 반응조에 따른 blue-2bcn의 처리효율의 차이가 크게 나지않는 것은 이 염료가 red-60보다 생물학적 제거가 쉽기 때문이라고 판단된다.

또한, 분산염료 blue-2 bcn를 연속식으로 20시간 실험한 결과 다음 표 4와 같은 처리효율을 얻었다.

<표 4>

생 물 반 응 조 형 태	(2)	(2a)	(2c)
20시간 후 처리효율(%)	78.9	71.1	48.0

상기 결과 역시 본 발명의 생물반응조(2)가 다른 생물반응조 보다 우수한 처리효율을 보였다. "(2a)" 형태의 생물반응조는 처리효율이 "(2)" 형태의 생물반응조에 비하여 약 8% 정도만 차이가 났으며, 이것은 회분식과 비슷한 결과이다.

그러나 "(2c)" 형태의 생물반응조의 경우 연속식에서는 본 발명의 생물반응조보다 염료처리효율이 약 40% 저조하였다. 이러한 현상은 연속식 처리에서 "(2)" 형태의 생물반응조가 "(2c)" 형태의 생물반응조 보다 월등히 우수하다는 것을 보여주는 것이며, 앞서 언급하였지만 대부분의 산업폐수의 생물학적 처리는 연속식으로 이루어진다는 것을 감안할 때 매우 바람직한 현상이다.

또 이 현상은 "(2c)" 형태의 생물반응조는 연속식 실험에서 미생물이 생장하는 것에 비해 유출되는 미생물의 양이 많으며, "(2)" 형태의 생물반응조는 많은 량의 염료가 유입됨에도 불구하고 우수한 활성을 가진 많은 미생물들이 담체에 고정화 (고착화)되어 높은 농도의 미생물을 유지할 수 있기 때문이라고 판단된다.

즉, 생물반응조 내의 염료처리를 위한 활성 미생물의 농도를 높게 유지할 수있는 능력이 본 발명에 의한 생물반응조(2)가 일반 폭기반응조(2c : aeration reactor)보다 월등히 우수함을 알 수 있다.

아래 표 5는 온도에 따른 일반 폭기조(2c)와 본 발명에 의한 생물반응조(2)의 용존산소량(DO)를 측정한 것으로, 실제 염색가공폐수를 두 생물반응조에 채우고 폭기 시작 후 30분이 경과되었을 때의 용존산소량(DO)를 나타내었다.

공기 주입 량은 두 생물반응조에 동일하게 하였다. 이 실험에서 용존산소량 (DO) 측정에 사용한 용액은 염색가공폐수 처리장에 유입되는 실제 염색가공 폐수이며 폭기전 이 염색가공 폐수의 용존산소량은 정치 30분 후 측정하였을 때 0㎎/ℓ로 대단히 적었다.

<표 5>

용존산소량온도	본 발명 생물반응조임펠러 회전수 : 용존산소량	일 반 폭 기 조용존산소량
25℃	300(rpm)	5.7(㎎/ℓ)	4.8(㎎/ℓ)
	500(rpm)	7.0(㎎/ℓ)
	700(rpm)	7.5(㎎/ℓ)
30℃	300(rpm)	5.3(㎎/ℓ)	4.6(㎎/ℓ)
	500(rpm)	6.5(㎎/ℓ)
	700(rpm)	7.0(㎎/ℓ)
35℃	300(rpm)	5.1(㎎/ℓ)	4.2(㎎/ℓ)
	500(rpm)	5.8(㎎/ℓ)
	700(rpm)	6.8(㎎/ℓ)

상기 표 5에서 본 발명에 의한 생물반응조는 교반기의 속도와 온도에 따른 구분을 하였으며, 일반 생물반응조는 교반기를 사용하지 않았으므로 온도에 따른 측정치만을 나타내었다.

표 5에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 생물반응조는 교반 속도에 따라 용존산소량에 차이가 있으나 일반 폭기반응조보다 용존산소량이 더욱 증가하였음을 알 수 있으며, 교반속도가 700(rpm)일 때 용존산소(DO)량은 각각 주어진 온도에서 포화량에 가깝다.

아래 표 6은 실제 염색가공폐수를 사용하지 않고 증류수만을 상기 표 5에서 사용한 두 종류의 생물반응조에 채우고 생물반응조의 온도를 35℃로 조절하고 폭기후 15분이 경과하였을 때의 용존산소(DO)량을 측정한 값이며 증류수를 정치하여 30분이 경과한 후 측정한 용존산소량은 4.6㎎/ℓ였다.

본 발명에 의한 생물반응조(2)가 일반 폭기조(2c)에 비하여 용존산소량(DO)이 더욱 증가되었음을 확인할 수 있다.

<표 6>

구 분	본 발명 생물반응조임펠러 회전수 : 용존산소량	일 반 폭 기 조용존산소량
35℃	300(rpm) 6.47(㎎/ℓ)	5.67(㎎/ℓ)
	500(rpm) 6.95(㎎/ℓ)

이상의 실험들에서 본 발명에 의한 생물반응조(2)가 일반 폭기반응조(2c)보다 염료 제거효율이 월등히 우수함을 볼 수 있는데 이는 고정화 담체를 사용하여 반응기 내부의 미생물 농도를 높게 유지할 수 있었으며, 미세기포를 발생시키는 장치를 고안하여 설치함으로 인해 용존산소(DO)량을 크게 증대시킬 수 있었고, 폐수에 함유된 물질 중 미생물이 이용하는 물질(염료등)들이 미생물에게 더욱 잘 전달될 수 있었기 때문이다.

본 발명은 이상과 같이 기재된 일 실시 예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 사상과 범위 내에서 변경이나 변형할 수 있음은 물론이며, 이러한 변경이나 변형은 특허청구범위에 의하여 제한되어져야 할 것이다.

이상의 실험에서 알 수 있듯이 본 발명에 의한 생물반응조(2)가 기본적인 염료제거 능력에서 가장 우수한 결과를 보였을 뿐 아니라 회분식 실험과 연속식 실험에서의 염료 제거능력 차이가 크게 나지않아 생물반응조 내의 처리효율의 유지성 즉, 미생물의 활성을 유지하는 능력이 기타의 생물반응조 특히 일반 폭기반응조 (aeration reactor)보다 월등히 우수한 효과가 있어서 생물반응조의 용존산소량 (DO)이 크게 증가되므로 생물반응이 향상되는 효과가 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims (6)

1. 담체에 의한 고정화 생물반응조에 있어서, 반응조(4)의 중앙부에 순환실 (14)(16)을 갖는 상부 격리조(10)와 하부 격리조(12)를 각각 설치하여 반응조(4)와 격리조(10)(12) 사이에 담체실(6)(8)을 형성한 다음 현수식 담체를 걸어 설치하고, 반응조(4)의 하부 모서리 부분과 격리조(12)의 하부에 경사판(50)과 경사부(52)를 빙둘러 설치하고, 상부 격리조(10)의 하부에 폐수(물)와 공기를 혼합시키면서 파쇄하는 에어 제네레이터(18)를 설치하여, 에어 제네레이터(18)를 중심으로 폐수가 순환되게 함으로써 폐수 중으로 용존되는 기포가 임펠러(20)에 의한 유속(수류)의 충격력에 의해 미세입자로 부서지면서 폐수 중으로 더욱 잘 용존되게 함을 특징으로 하는 용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조.
2. 제 1 항에 있어서, 에어 제네레이터(18)는 공기 및 폐수가 유입되는 상ㆍ하 유입구(22)(24)와, 임펠러(20)를 고속으로 회전시키는 속도가변형 수중모터(26)와, 급기관(30)으로부터 공급되는 기포 입자를 충격요법으로 잘게 파쇄하여 폐수(34) 중으로 쉽게 용존시켜 유출구(28)로 배출시키는 임펠러(20)와, 외부공기를 공급하는 급기관(30)으로 구성함을 특징으로 하는 용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 에어 제네레이터(18)가 설치되는 격리조(10)의 하부에 완충실(32)을 형성하여 손실공간을 보상하고, 완충실(32)의 상ㆍ하부에 출수구(36)(38)를 형성하여 폐수(34)가 에어 제네레이터(18)를 기준으로 상하 대류(순환)하도록 함을 특징으로 하는 용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 급기관(30)의 상부에 인양가대(44)를 설치하여 필요한 경우 와이어(46)로 에어 제네레이터(18)를 상승시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 담체실(6)(8)의 상ㆍ하부에 반응조(4)의 중심부로 향하는 복수 개의 지지봉(68)(70)(72)(74)을 등 간격으로 고정하고, 지지봉 (68)(70)(72)(74)의 표면에 직경이 각각 다른 둥근형상의 링(66)을 등 간격으로 각각 고정시켜 현수담체의 양단부를 걸어 고정할 수 있도록 함을 특징으로 하는 용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 현수담체는 실과 지선을 네모 케이스에 엉키도록 집어넣은 다음 셋팅시켜 비표면적을 최대한 확장시켜 물리화학적으로 안정하면서 오ㆍ폐수 중에 부유하는 입자를 신속히 부착시키고 부착되는 오니는 탈락현상을 방지될 수 있게 구성함을 특징으로 하는 용존산소를 향상시킨 고정화 생물반응조.