KR100401704B1 - 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법에 관한 것으로, 생물학적 폐수처리공정에 있어서 소량의 미생물제재를 배양 증식하여 폭기조에서 폐수를 정화하는데 필요로 하는 미생물을 지속적으로 공급함으로써 폐수처리의 효율이 높고 비용이 절감되는 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이를 실현하기 위하여, 미생물제재가 투입된 배양조에 미생물의 먹이로서 생물학적 분해가 쉬운 전분과 필수영양성분을 공급하고 물과 공기를 가하여 적정온도 및 적정시간동안 배양 증식시킨 후, 상기 배양조에서 배양된 미생물 배양액의 일부는 순응조로 이송하고 나머지는 재배양을 위해 배양조에 잔류시킨 다음, 순응조로 이송된 미생물 배양액에 다시 전분과 필수영양성분 및 폭기조 내의 폐수와 공기를 가하여 적정온도 및 적정시간동안 배양 증식함과 동시에 폐수에 적응시킨 것을 폭기조로 이송하고, 이와 동시에 배양조 내의 잔류 미생물 배양액에 전분과 필수영양성분을 공급하고 물과 공기를 가하여 재배양한 것을 순응조로 이송시키는 공정을 반복적으로 행함으로써 소량의 미생물제재만으로도 폭기조에 유입되는 다량의 폐수를 효율적으로 처리를 할 수 있도록 하는 것이다.

Description

생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법 {a automatic culture apparatus of microorganism in biological waste water treatment process and its method}

본 발명은 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 생물학적 폐수처리공정에 있어서 소량의 미생물제재를 배양 증식하여 폭기조에서 폐수를 정화하는데 필요로 하는 미생물을 지속적으로 공급함으로써 폐수처리의 효율이 높고 비용이 절감되도록 하는 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 생물학적 폐수처리는 미생물의 활동을 이용하여 폐수 내의 용존 유기물질을 분해 및 제거하는 것으로서, 폐수에 용해되어 있는 유기물질이 미생물에 의해 섭취 분해되어 잉여슬러지와 무기물질로 전환되도록 하는 것이다.

이러한 생물학적 폐수처리 방법으로는 크게 산소공급을 필요로 하는 호기성 폐수처리와 산소접촉을 차단하는 혐기성 폐수처리로 구분되어진다.

호기성 폐수처리는 호기성균에 의해 유기물을 산화 분해하는 것으로, 500ppm 이하의 낮은 BOD처리에 적당하고, 회전원판접촉법(RBC), 살수여상법, 활성오니법 등이 있으며, 혐기성 폐수처리는 혐기성균에 의해 유기물을 환원 분해하는 것으로, 혐기성 소화법, 혐기성 라군법 등의 방법이 있다.

그런데, 종래에는 미생물을 이용하여 폐수를 처리하는 경우 폐수의 양과 pH를 조절하여 침전하기 쉬운 부유물질을 제거한 후 이를 폭기조 내에 투입하고, 다시 폭기조 내에 미생물제재(종균제)를 직접 투입한 후 폐수에 공기를 불어넣어 물과 공기를 충분히 접촉시킴으로써 산화작용과 미생물에 의한 소화작용을 촉진시키고 이로 인해 폐수 내의 유기물질 등은 산화분해되어 제거되는 것인데, 이때 폭기조 내에서 오, 폐수를 생물학적으로 정화하기 위해서는 많은 양의 미생물제재가 소요된다는 단점이 있었다.

더욱이, 국내에서 다양한 종류의 폐수처리용 미생물 제품이 시판되고 있으나, 대부분 수입품으로서 국내에서 발생되는 폐수에 적용 시 100%의 효과를 기대하기 어려울 뿐만 아니라 비용이 고가라서 경제적으로 큰 부담이 된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 생물학적 폐수처리공정에서의 폭기조 내에서 폐수처리 시 필요로 하는 미생물을 소량의 미생물제재만으로 배양 증식하여 이를 폭기조에 지속적으로 공급함으로써 효율적인 폐수처리 및 비용절감에 효과적인 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 배양장치의 공정도

도 2 는 본 발명에 따른 배양조의 외부구조도

도 3 은 도 2 의 내부구조도

도 4 는 본 발명에 따른 순응조의 외부구조도

도 5 는 도 4 의 내부구조도

도 6 은 본 발명에 따른 미생물 배양장치의 배치도

도 7 은 본 발명에 따른 미생물 배양방법의 흐름도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호설명＞

1 : 미생물 배양장치 2 : 배양조

3 : 순응조 4 : 이송펌프

5 : 전분공급부 6 : 공업용수배관

7 : 송풍기 8 : 폐수이송펌프

9a,9b : 전동밸브 10a,10b : 공기유량계

11 : 제1교반장치 12 : 제2교반장치

13a,13b : 투입구 14 : 제1유입구

15a : 제2유입구 15b : 제3유입구

16a,16b : 수위감지기 설치구 17 : 투시창

18a,18b : 시료채취구 19a,19b : 공기유입구

20 : 모터 21 : 감속기

22 : 축 23 : 임펠러

24 : 내통 25a,25b : 커버

26a,26b : 보수용 맨홀 27a,27b : 배출구

28 : 에어밴트 29 : 스크류판

30 : 공기분출기 31 : 점검용다리

32 : 교반기 33 : 용수공급밸브

34 : 밸브 100 : 폭기조

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치는, 미생물을 배양하는 배양조; 상기 배양조에 이송펌프를 통해 연결되어 배양조로부터 이송된 미생물 배양액을 배양하는 순응조; 상기 배양조와 순응조의 사이에 설치되어 미생물의 먹이 및 영양성분을 공급하는 전분공급부; 상기 배양조의 외부에 설치되어 배양조에 공업용수를 공급하도록 전동밸브가 구비된 공업용수배관; 상기 배양조와 순응조의 사이에 설치되어 그 내부로 공기를 공급하도록 공기유량계가 구비된 송풍기; 및 폐수처리장에 설치되어 상기 순응조 내부로 폭기조에 유입될 폐수를 이송하도록 전동밸브가 구비된 폐수이송펌프를 포함함을 특징으로 한다.

그리고, 상기 배양조는 상부에 구동력을 가진 모터가 설치되고, 상기 모터의 작동으로 회전하면서 배양조 내의 미생물제재 등을 교반하는 제1교반장치가 구비되어 있으며, 상기 순응조는 하부에 공기를 부상시키는 공기분출기가 설치되고, 상기 공기분출기에 의해 미생물 배양액 등을 교반하는 다수의 제2교반장치가 구비되어있는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양방법은, 배양조에 미생물제재를 투입하고 전분과 인 및 질소를 공급한 후, 공업용수 및 공기를 유입하는 배양조 투입단계; 상기 배양조의 미생물제재 등을 교반하면서 배양시키는 배양조 배양단계; 상기 배양조에서 배양된 미생물 배양액의 10~20wt%를 잔류시키고 나머지 80~90wt%를 순응조에 이송시키는 단계; 상기 순응조에 전분과 인 및 질소를 공급한 후, 폭기조에 유입되는 폐수 및 공기를 유입하는 순응조 투입단계; 상기 순응조의 미생물 배양액을 교반하면서 배양시킴과 동시에 미생물을 폐수에 적응시키는 순응조 배양단계; 및 상기 배양조의 잔류 미생물 배양액 10~20wt%에 전분과 인 및 질소를 공급한 후 공업용수를 유입하여 재배양한 것을 다시 순응조로 이송시키는 배양조 재배양단계;를 포함하는 것으로서, 상기 배양조 배양 및 순응조 배양단계는 온도 30~35℃에서 24~36시간 동안 배양시킴과 동시에 상기 순응조 배양단계 및 배양조 재배양단계를 반복적으로 행하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 배양조 투입단계는 미생물제재 0.01~0.02wt%에 전분 0.8~2wt%와, 일인산칼륨 0.06~0.1wt%와, 요소 0.1~0.2wt% 및 공업용수 97.7~99wt%를 공급 후 공기 0.7~1.0m³/min을 가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 순응조 투입단계는 배양조에서 이송된 미생물 배양액 17~20wt%에 전분 0.2~0.5wt%와, 일인산칼륨 0.02~0.04wt%와, 요소 0.01~0.03wt% 및 폐수 79.5~82.7wt%를 공급한 후 공기 0.7~1.0m³/min을 가하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면들을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치(이하 "미생물 배양장치"라고 한다)의 구성을 보여준다.

도면을 참조하면, 본 발명의 미생물 배양장치(1)는 폐수처리공정에서의 폭기조(100)와 연결 설치된 상태에서 본 발명의 미생물 배양장치를 통해 배양 증식된 미생물을 상기 폭기조에 지속적으로 공급하는 것으로서, 이러한 미생물 배양장치(1)는 적정한 배양조건에서 미생물을 배양하도록 구성된 배양조(2)와, 상기 배양조에서 이송된 미생물 배양액에 폭기조 내의 폐수를 투입하여 미생물을 증식 및 폐수에 적응시키도록 구성된 순응조(3)로 이루어지며, 상기 배양조와 순응조 사이에 설치되어 미생물의 먹이인 전분 및 영양성분을 공급하는 전분공급부(5)와, 상기 배양조의 외부에 설치되어 공업용수를 공급하는 공업용수배관(6)과, 상기 배양조와 순응조 사이에 설치되어 공기를 공급하는 송풍기(7) 및 폭기조의 폐수를 순응조로 이송하는 폐수이송펌프(8)가 부설되어 있고, 상기 배양조와 순응조 및 전분공급부 사이에서 이송기능을 하는 이송펌프(4)가 설치되어 있다.

이에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 배양조(2)는 미생물제재가 배양되도록 구성된 것으로서, 상기 배양조의 상단에는 미생물제재가 투입되는 투입구(13a)와, 전분이 유입되는 제1유입구(14) 및 공업용수가 유입되는 제2유입구(15a)가 각각 형성됨과 동시에 상기 배양조(2) 내에 유입되는 공업용수의 유입량을 감지하는 수위감지기(미도시)를 설치할 수 있도록 수위감지기 설치구(16a)가 부설되며, 상기 제1유입구(14)는 배양조 내에서 미생물이 배양됨에 따라 발생되는 압력을 외부로 배출하는 기능도 겸하게 된다.

그리고, 상기 배양조(2)의 외주연에는 시간경과에 따른 미생물의 배양상태를 확인하는 다수의 투시창(17)과, 상기 배양조에서 배양된 시료를 채취하도록 시료채취구(18a)가 설치됨과 동시에 상기 배양조에 공기를 유입하는 공기유입구(19a)가 형성되어 있다.

상기 배양조(2)의 상부에는 구동력을 가진 모터(20) 및 상기 모터의 구동력을 제어하는 감속기(21)가 설치되며, 상기 배양조의 내부에는 상기 모터에 의해 작동됨과 동시에 상기 배양조 내부에 투입된 미생물제재 등을 교반하는 제1교반장치(11)가 설치된다.

상기 제1교반장치(11)는 상기 감속기에 회전 가능하도록 연결된 축(22)과, 상기 축에 설치되어 회전하는 다수의 임펠러(23)로 이루어진다.

여기에서, 상기 제1교반장치(11)에는 상기 임펠러(23)의 교반효과를 높임과 동시에 배양조 내에 투입된 미생물제재나 전분 입자들의 침전을 방지하기 위하여 상향류 방식의 임펠러(23)를 감싸는 내통(24)이 설치되어 있고, 상기 내통의 상부에는 200mm 가량 떨어진 커버(25a)가 연결되어 상기 임펠러의 회전을 통하여 위쪽으로 올라오는 입자들이 상기 커버에 부딪히면서 아래로 떨어져 내부순환이 용이하도록 한다.

또한, 상기 배양조(2)의 외주면에는 상기 배양조 내부의 미생물에 이상이 발생할 경우에 내부를 청소하기 위한 보수용 맨홀(26a)이 형성됨과 동시에 하단에는 배출구(27a)가 형성되어 하부에 부착된 개폐밸브(미도시)의 조작에 의해 배양조 내에서 배양 증식된 미생물 배양액이 배출되도록 한다.

순응조(3)는 상기 배양조에 연결되어 상기 배양조에서 이송된 미생물 배양액을 배양 증식함과 동시에 폐수에 적응하도록 구성된 것으로서, 상기 순응조의 상단에는 상기 배양조(2)로부터 이송된 미생물 배양액 및 전분이 투입되는 투입구(13b)와, 폭기조로부터 이송된 폐수가 유입되는 제3유입구(15b) 및 상기 순응조 내에서 미생물이 배양됨에 따라 발생되는 압력을 외부로 배출하도록 에어밴트(28)가 각각 형성됨과 동시에 상기 순응조 내에 유입되는 폐수의 유입량을 감지하기 위한 수위감지기(미도시)를 설치할 수 있도록 수위감지기 설치구(16b)가 부설되어 있다.

그리고, 상기 순응조(3)의 외주연에는 배양된 시료를 채취하도록 시료채취구(18b)가 설치됨과 동시에 상기 배양조에 공기를 유입하는 공기유입구(19b)가 형성되어 있다.

상기 순응조(3)의 내부에는 순응조에 투입된 미생물 배양액과 공기의 접촉을 높여 원활하게 배양시키는 다수의 제2교반장치(12)가 설치된다.

상기 제2교반장치(12)는 원통형상으로서 내부에 다수개 설치된 스크류판(29)과 상부에 설치된 커버(25b)로 구성되며, 하부에는 순응조 내부로 유입된 공기를 상방향으로 분출시키는 공기분출기(30)가 설치되는데, 이는 상기 배양조의 모터(20)를 이용한 제1교반장치(11)와는 달리, 상기 공기분출기에 의해 공기가 부상하는 힘을 이용하여 순응조 내의 미생물 배양액 등이 상기 스크류판(29)을 통과하면서 서로 잘 혼합되도록 하는 것이다.

또한, 상기 순응조(3)에는 순응조 내부의 미생물에 이상이 발생할 경우에 내부를 청소 및 점검하기 위한 보수용 상하부맨홀(26b)과 점검용 사다리(31)가 각각 설치됨과 동시에 상기 순응조의 하단에는 순응조 내의 미생물 배양액이 배출되는 배출구(27b)가 형성되어 있다.

상기 배출구(27b)에는 T자 형태의 3방향 개폐밸브(미도시)가 구비되어, 상기 순응조 내에서 배양된 미생물 배양액을 폐수처리공정 상의 폭기조(100)에 투입 시 상기 개폐밸브를 조작하여 자연유하시키거나 또는 이송펌프(4)를 선택적으로 사용하도록 한다.

전분공급부(5)는 상기 배양조와 순응조 사이에 설치되어 미생물의 먹이인 전분 및 영양성분을 교반 및 용해하여 배양조 및 순응조에 공급하는 것으로서, 상기 전분공급부는 전분을 교반하는 교반기(32)와, 상기 교반기에 용수를 공급하여 전분을 용해하는 용수공급밸브(33)로 구성되며, 상기 전분공급부의 하부에는 교반기에 의해 용해된 전분을 배출시키는 밸브(34)가 설치되어 있다.

이송펌프(4)는 배관 및 밸브(미도시)가 구비됨과 동시에 상기 배양조와, 순응조 및 전분공급부의 사이에 설치된 것으로, 본 발명에 따른 이송펌프는 상기 전분공급부(5)에서 용해된 전분을 배양조(2) 및 순응조(3)에 공급하고, 상기 배양조에서 배양된 미생물 배양액을 순응조로 이송하며, 상기 순응조에서 증식된 미생물 배양액을 폭기조(100)에 이송하는 등 다양한 기능을 하게 된다.

한편, 상기 배양조(2)에는 미생물의 먹이로서 공업용수를 공급하도록 공업용수배관(6)이나 용수탱크(미도시)가 인접 설치되고, 상기 공업용수배관 상에는 공업용수의 공급량을 조절하도록 전동밸브(9a)가 설치되며, 상기 전동밸브는 작동스위치를 자동으로 절환 시 상기 배양조(2)의 만수위까지 전분이 공급되고 남은 부피만큼 공업용수가 자동으로 충수되도록 조절하는 것이다.

그리고, 상기 배양조와 순응조 사이에는 상기 배양조와 순응조 내부에 존재하는 미생물의 호흡에 필요한 공기를 공급하도록 송풍기(7)가 설치되며, 상기 송풍기에는 공기의 유량을 제어하는 공기유량계(10a,10b)가 구비되어 있다.

또한, 상기 순응조(3)의 상부에는 순응조 내의 미생물이 폐수에 적응하기 용이하도록 미생물의 먹이로서 폭기조(100)에 유입되는 폐수를 순응조로 유입함과 동시에 수위감지기(미도시)와 연동되어 상기 순응조 내부가 만수위가 되면 작동이 정지되는 폐수이송펌프(8)가 연결됨과 동시에 상기 폐수이송펌프는 폐수처리장에 설치되어 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 미생물 배양장치를 이용하여 미생물을 배양하는 방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.

제 1 공정 : 배양조 투입단계

미생물을 배양 증식하기 위해 배양조 내에 미생물제재와 미생물의 먹이를 투입하는 단계이다.

우선, 투입구(13a)를 통해 상기 배양조(2) 내에 미생물제재를 투입한다.

이때, 상기 배양조에 투입되는 미생물제재는 액상 또는 고상(입체형)의 미생물제재로서 특별히 한정되는 것은 아니며, 그 투입량은 배양조 용량에 대해0.01~0.02wt%이다.

미생물의 먹이로서는 전분을 공급하는데, 전분공급부(5)의 용수공급밸브(33)의 조작에 의해 용수를 공급받아 교반기(32)로 전분을 교반 용해한 후 이송펌프(4)에 연결된 전분공급장치 하부의 밸브(34)를 개방하여 제1유입구(14)를 통해 전분을 배양조 내부로 이송한다.

이때, 상기 배양조(2) 내에 공급되는 전분의 양은 0.8~2wt%로서, 만일 전분의 양이 2wt%를 초과하여 과도한 경우에는 용해되지 않은 전분이 배양조 바닥에 침전하여 부패될 수 있으며 0.8wt% 미만으로 부족한 경우에는 미생물이 활발하게 증식하기 어렵다.

그리고, 상기 배양조(2)에 전분의 공급과 동시에 미생물이 충분히 성장하는데 필요한 영양성분으로서 인과 질소를 공급하는데, 상기 전분공급부(5)에서 전분을 용해 시 전분과 함께 인성분을 지닌 일인산칼륨과 질소성분을 지닌 요소를 용해 후 상기 배양조에 공급한다.

이때, 상기 전분과 함께 공급되는 인 및 질소의 양은 일인산칼륨 0.06~0.1wt%, 요소 0.1~0.2wt%로서, 만일 일인산칼륨 및 요소가 상기 투입량보다 부족할 경우에는 미생물의 증식이 원활하지 못하게 되고 과다할 경우에는 미생물이 증식에 필요한 양 이상을 소비하지 않기 때문에 불필요하게 된다.

덧붙여, 상기 배양조(2)에 공급되는 일인산칼륨 및 요소의 양은 일반적인 생물학적 폐수처리에 있어 활성슬러지의 BOD : N : P = 100 : 5 : 1의 비율로 하는 것이 미생물의 대사 및 폐수처리에 바람직하므로 상기 비율에 따라 적절히 계산하여 공급해준다. 이에 대하여 후술하는 실시예의 식2 및 식3에서 상세히 설명하겠다.

이어서, 상기 배양조 내에 미생물의 먹이로서 공업용수를 공급하는데 용수탱크(미도시)나 공업용수배관(6) 조작반의 전동밸브(9a) 작동스위치를 자동으로 절환하여 제2유입구(15a)를 통해 배양조(2)의 만수위까지 자동으로 공업용수를 공급하며, 이때 공급되는 공업용수의 양은 97.7~99wt%이다.

다음으로, 수위감지기를 수위감지기 설치구(16a)에 삽입하여 상기 배양조(2)에 공업용수가 충수됨을 확인 후, 송풍기(7)에 의해 배양조 내에 미생물의 호흡에 필요한 공기를 공기유입구(19a)로 공급하는데, 이때 공기의 양은 공기유량계(10a)에 의해 0.7~1.0m³/min으로 제어하면서 공급한다.

그런데, 상기 배양조(2) 내의 미생물은 개체수보다 먹이가 모자라면 내생호흡(Endogenous respiration)단계에 이르러 미생물의 개체수가 감소되므로 과잉의 먹이를 공급해야 하며, 배양조 내에 공기 즉, 산소부족에 의한 혐기화(부패)를 방지하기 위하여 전분 등의 미생물 먹이에 비례하여 계산된 충분한 공기공급량을 유지해 주어야 한다.

더욱이, 상기 배양조 내의 산소가 부족하면 폐수처리에 유익하지 못한 미생물이 증식할 우려가 있기 때문에 이를 방지하기 위해서 공기공급량을 계산된 수치보다 약간 높게 조절하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 따라 상기 배양조 내의 미생물이 전분 등의 먹이를 이용하여 원활히 증식할 수 있는 것이다. 이에 대하여 후술하는 실시예의 식4에서 상세히 설명하겠다.

제 2 공정 : 배양조 배양단계

배양조 내에 투입된 미생물을 적절한 조건 하에서 배양 증식시키는 단계이다.

상기 제 1 공정의 배양조 투입단계가 완료되면 배양조 내부에 설치된 제1교반장치(11)를 작동시키는데, 모터(20)를 구동하면 감속기(21)에 이어진 축(22)을 통해 다수의 임펠러(23)가 회전하면서 배양조 내의 미생물과 먹이 및 영양성분을 교반하게 되며, 상기 미생물 등은 커버(25a)에 부딪히면서 내통(24)의 위아래로 내부순환함에 따라 배양을 개시하게 된다.

그리고, 상기 배양조(2) 내에서의 미생물 배양 증식에 필요한 환경요소 중의 하나는 온도로서, 미생물의 종류에 따라 다르지만 상기 배양조 내의 온도는 생물학적 폐수처리 시에 적합한 온도인 30~35℃, 바람직하게는 32℃를 유지하도록 한다.

또한, 상기 배양조(2)에서의 배양시간은 미생물의 최대 성장점인 24~36시간, 바람직하게는 33시간으로 한다.

이와 같이, 상기 조건 하에서 배양조(2) 내의 미생물의 배양 증식이 완료되면 투시창(17)을 통해 미생물의 배양상태를 확인하고, 시료채취구(18a)를 통해 미생물 시료를 채취하여 광학현미경으로 미생물의 개체수를 확인하거나 또는 활성도를 측정하는 등 미생물의 증식상태를 관찰한다. 만일, 배양조(2)로부터 채취된 미생물의 개체수가 감소하거나 활성도가 빈약할 때에는 미생물제재를 재투입하도록 한다.

이어서, 상기 배양조(2)에서 배양 증식된 미생물 배양액 중 80~90wt%는 이송펌프(4)에 의해 순응조(3)로 이송하고, 나머지 10~20wt%는 그대로 배양조 내에 잔류시켜 재배양에 이용하도록 한다.

참고적으로, 본 발명에서는 상기 배양조(2)에서 이송된 미생물 배양액 80~90wt%은 순응조(3) 용적의 17~20wt%가 되도록 배양조와 순응조의 크기를 조절하여 제작한 것을 사용하였다.

제 3 공정 : 순응조 투입단계

배양조로부터 이송된 미생물 배양액을 순응조에서 배양 증식하기 위해 미생물의 먹이 및 영양성분을 투입하는 단계이다.

우선, 순응조(3) 내에 이송된 미생물 배양액을 증식시키기 위하여 상기 제 2 공정과 동일한 방법을 이용하며, 순응조의 투입구(13b)를 통해 전분과, 인 및 질소를 공급하여 부족한 먹이를 보충하도록 한다.

그리고, 상기 제 2 공정에서와는 달리, 순응조(3) 내에 공급되는 미생물의 먹이로서 폐수이송펌프(8)에 의해 폭기조(100)에 유입되는 폐수를 제3유입구(15b)를 통해 순응조에 공급하여 미생물이 폭기조 환경에 적응되도록 하는데, 이는 순응조(3) 내의 미생물에 미리 폭기조(100)에 유입되는 유기물질 부하가 높은 폐수를 먹이로서 공급하여 적응시킴으로써 상기 순응조 내의 미생물을 폐수처리공정에서의 폭기조에 투입 시 별도의 활성화 과정을 필요로 하지 않기 때문이다.

상기 순응조(3)의 미생물 배양액 17~20wt%에 공급되는 미생물의 먹이 및 영양성분의 투입량은, 전분 0.2~0.5wt%, 일인산칼륨(인) 0.02~0.04wt%, 요소(질소)0.01~0.03wt% 및 폭기조 내의 폐수 79.5~82.7wt%이다.

이때, 본 공정에서 상기 순응조(3)에 공급되는 미생물의 먹이 및 영양성분의 투입량이 상기 배양조(2)에 공급되는 투입량과 다른 이유는, 상기 순응조에 공급되는 폐수 중에 미생물의 먹이가 되는 BOD 유발물질과 인 및 질소가 일부 포함되어 있기 때문이다.

이어서, 상기 순응조(3) 내에 전분과 영양성분의 투입 및 폐수의 이송이 완료되면, 제 2 공정과 동일한 방법으로 공기유입구(19b)를 통해 순응조 내에 공기를 0.7~1.0m³/min 공급한다.

제 4 공정 : 순응조 배양단계

배양조에서 순응조로 이송된 미생물 배양액을 배양 증식시킴과 동시에 폭기조로부터 유입되는 폐수에 적응시키는 단계이다.

상기 제 3 공정의 순응조 투입단계가 완료되면 순응조 내부에 설치된 제2교반장치(12)에 공기를 적량 공급하여 교반하는데, 공기분출기(30)에 의해 각각의 제2교반장치에 공기를 분사시키면 순응조 내의 미생물 등이 공기와 함께 스크류판(29)을 통과하면서 잘 혼합되면서 배양을 개시하게 된다.

이때, 상기 순응조(3)에서의 배양조건은 온도 30~35℃에서 24~36시간 바람직하게는, 33시간 동안 배양하게 되며, 배양되는 동안 순응조 내에 압력이 차게 되면 에어밴트(28)에 의해 공기를 일부 빼내어준다.

상기 순응조(3) 내에서 미생물 배양이 완료되면 제 2 공정과 동일한 방법으로 시료채취구(18b)에 의해 배양된 미생물 시료를 채취한 후 광학현미경으로 점경하여 미생물의 상태를 확인하는데, 만일 사상성 세균이나 원생동물 등과 같은 이상 미생물이 출현할 경우에는 상기 순응조 내부를 배수한 후 청소하고 초기부터 새로이 배양하도록 하며, 이상이 없을 시에는 개폐밸브(미도시)를 조작하여 자연유하 또는 이송펌프(4)에 의해 폐수처리공정 상의 폭기조(100)로 전량 이송한다.

제 5 공정 : 배양조 재배양단계

본 발명에 따른 미생물 배양장치를 연속으로 운전하기 위하여, 제 2 공정에서의 배양조 내에 잔류하는 미생물 배양액 10~20wt%를 이용하여 재배양하는 단계이다.

본 공정은 상기 제 2 공정과 동일한 방법으로 함과 동시에 제 4 공정과 동시에 행해지는 것으로서, 우선, 배양조(2) 내의 잔류 미생물 배양액에 미생물제재를 제외한 물질 즉, 전분과 인과 질소 및 폐수만을 공급한 후 온도 30~35℃에서 24~36시간 동안 재배양하며, 그 양은 잔류 미생물 배양액 10~20wt%에, 전분 0.8~2wt%, 일인산칼륨(인) 0.05~0.1wt%, 요소(질소) 0.1~0.2wt% 및 용수 76.8~90wt%이다.

이어서, 상기 배양조(2)에서 재배양된 미생물 배양액 중 80~90wt%는 다시 순응조(3)로 이송함과 동시에 나머지 10~20wt%는 배양조 내에 그대로 잔류시킨다.

즉, 배양조(2)에서 배양된 미생물 배양액 80~90wt%를 순응조(3)로 이송하고 여기에 미생물의 먹이인 전분 및 폐수와, 영양성분인 인과 요소를 공급하여 배양함과 동시에, 나머지 10~20wt%에 미생물제재를 제외한 미생물의 먹이 및 영양성분을 공급하여 배양하면, 24∼36시간 경과 후 상기 배양조 및 순응조 내의 미생물은 모두 충분히 배양 증식되며, 상기 배양조(2) 내의 미생물 배양액 80~90wt%는 미생물 배양액의 전량을 폭기조로 투입하여 비어있을 순응조(3)로, 또한 순응조(3) 내의 미생물 배양액은 전량 폭기조 또는 미생물이 투입되어야 할 지점에 자연유하 또는 이송펌프(4)를 이용하여 투입하며, 상기 공정을 반복적으로 행한다.

상기한 바와 같이, 상기 배양조(2)를 거쳐 순응조(3)에서 배양 증식된 미생물은 폐수처리공정 상의 폭기조(100)로 이송 후 여기에 산소를 공급하여 폭기조 내의 폐수를 미생물로 산화 분해하는데 사용된다.

실시예

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 따른 미생물 배양장치를 이용하여 미생물을 배양하는 방법을 구체적으로 설명하겠다.

본 실시예에서는 배양조(2) 용적 2,000kg, 순응조(3) 용적 9,000kg인 것을 사용하였으며, 미생물제재로서 일본의 바스프로덕트 인터내셔날 리미티드(BAR's Product International Ltd.)의 MUBAC, 천연키토산의 KITOBIO, 효광이앤씨(EC)의 PMB를 이용하였다.

우선, 배양조(2)에 상기 미생물제재 0.2kg(0.01wt%)을 투입하고, 전분공급부(5)에서 전분 22kg(1.1wt%), 일인산칼륨 1.5kg(0.075wt%), 요소 2.8kg(0.14wt%)를 함께 교반하여 용해한 것을 이송펌프(4)로 상기 배양조에 공급함과 동시에 공업용수배관(6) 조작반의 전동밸브(9a) 스위치를 자동으로 절환하여 공업용수를 1973.5kg(98.675wt%) 공급한다.

여기에서, 상기 배양조(2) 내에 투입되는 일인산칼륨 및 요소의 양은 하기화학식1에 의해 산정된 BOD의 양에 따라 하기 식1 내지 식3에 나타난 바와 같이 계산할 수 있다. 참고로, 하기 화학식1은 전분(C₆H₁₀O₅)을 산화시키는데 필요한 산소량을 나타내고 있다.

1. 전분의 BOD량 산정

C₆H₁₀O₅+ 6O₂-> 6CO₂+ 5H₂O (화학식1)

162 192

(여기서, 원자량 C : 12, H : 1, O : 16)

상기 화학식 1에 따라 전분 162g 당 192g의 산소가 필요하며 산소 192g 전량을 BOD량으로 한다. 그리고, 본 실시예에서와 같이 배양조(2) 내에 전분 22kg을 공급하는 경우에는,

162g : 192g = 22 kg : χ kg

χ = (192 x 22) / 162 = 26kgBOD (식1)

즉, 26kg의 BOD를 발생하게 된다.

2. 질소 및 인 공급량 산정

BOD : N : P = 100 : 5 : 1 (wt% 기준)

= 26 : 1.3 : 0.26

1) 요소((NH₂)₂CO)의 분자량 = 60, 질소(N)의 원자량 = 14

60 : χ = 28 : 1.3

χ = (60 x 1.3) / 28 = 2.8kg (요소) (식2)

2) 일인산칼륨(K₂HPO₄)의 분자량 = 174.2 , 인(P)의 원자량 = 31

174.2 : χ = 31 : 0.26

χ = (174.2 x 0.26) / 31 = 1.5kg (일인산칼륨) (식3)

이어서, 상기 배양조(2)에 공업용수가 충수되고 전동밸브(9a)가 잠기면 공기유량계(10a)를 제어하여 미생물의 호흡에 필요한 공기 0.86㎥Air/min 이상을 가한다.

이때, 상기 배양조(2)에 공급되는 공기량은 상기 식1에 나타나듯이 전분을 BOD로 환산하여 공기 중의 산소비율(21%)과 물에 대한 용해율(7%)을 삽입하여 계산하며, 산소가 부족하면 폐수처리에 유익하지 못한 미생물이 증식될 우려가 있으므로 이를 방지하기 위하여 상기 계산된 수치보다 약간 많은 공기를 공급한다.

3. 공기공급량 산정

26kgBOD를 분해하기 위해서는 수중으로 용해되는 산소가 동일량 필요하게 되므로,

여기에서, 26kgO₂/day : 22kg 전분을 BOD로 환산

22.4m³O₂/32kgO₂: 산소 부피 (1mole(32g)은 22.4ℓ)

21/100 : 공기 중 산소 부피비

7/100 : 산소의 폐수에 대한 용해율 (방법별로 상이하므로 0.7 적용)

상기 배양조 내에 미생물제재 등의 투입이 완료된 후, 제1교반장치(11)를 작동시켜 배양조 내의 미생물제재 등을 교반하고 이에 따라 상기 미생물제재 등은 배양조 내부를 순환하면서 온도 32℃에서 33시간동안 배양된다.

시간이 경과하면, 투시창(17)을 통해 상기 배양조에서의 배양이 완료된 것을 확인한 후, 시료채취구(18a)를 통해 배양된 미생물 시료를 채취하여 현미경으로 점경하고 이상이 없으면 이송펌프(4)에 의해 미생물 배양액을 순응조(3)로 이송한다.

하기의 참고도1은 상기 배양조(2) 내에서 배양된 미생물 배양액을 광학현미경으로 관찰한 것을 나타낸 것으로서, 전체적으로 퍼져 있는 작고 깨알 같이 나타나는 것들이 폐수처리를 위한 미생물로서 상기 배양조 내에서 다량으로 배양 증식되어 있음을 알 수 있고, 좌우의 큰 덩어리는 미용해된 전분 또는 영양물질 성분을 나타낸다.

또한, 상기 배양조(2)에서 배양된 미생물의 증식상태에 대해 실험한 결과를 참고도1a에 도시하였으며, 미생물의 성장시점을 자세히 관찰하기 위하여 배양시간을 33시간 이상의 장시간으로 하여 배양한 것을 측정하였다.

상기 참고도1a를 살펴보면, PMB의 경우 빠르게는 18시간째부터 급속한 증식이 일어나 30시간 전후에서 최대의 성장을 나타내고, MUBAC의 경우 33시간경에서 급속한 성장을 나타내며, KITOBIO의 경우 30~36시간경에서 최대증식을 나타냄을 알 수 있고, 그 이후의 시간에서는 먹이 부족에 따라 미생물의 개체수가 감소함을 알 수 있다.

이어서, 상기 배양조(2) 내에서 배양된 미생물 배양액 2,000kg 중 1,800kg(90wt%)을 배출 후 이송펌프(4)에 의해 순응조(3)로 이송하여 다시 배양하도록 하며, 나머지 200kg(10wt%)은 배양조 내에 그대로 잔류시켜 재배양에 이용하도록 한다.

상기 배양조(2)에서 이송된 미생물 배양액 1,800kg을 순응조(3) 내부로 투입함에 따라 상기 순응조는 전체 용량의 20%가 상기 배양조로부터 이송된 미생물 배양액으로 채워지게 되며, 여기에 전분공급부(5)에 의해 용해된 전분 22kg(0.24wt%), 요소 2.8kg(0.03wt%), 일인산칼륨 1.5kg(0.02wt%)를 공급하고 다시 폐수이송펌프(8)에 의해 폭기조로 유입되는 폐수 7173.7kg(79.71wt%)을 가한다.

그런 후, 상기 순응조(3) 내의 제2교반장치(12)에 공기를 공급하면 공기분출기(30)에 의해 공기의 부상과 함께 미생물 배양액, 폐수 및 영양성분 등이 스크류판(29)을 통과하면서 서로 잘 혼합되고, 이를 온도 32℃에서 33시간 동안 배양함과 동시에 폐수에 적응하도록 한다.

시간이 경과하면, 시료채취구(18b)를 통해 배양된 미생물 시료를 채취하여 광학현미경으로 점경한다. 이에 대하여 참고도2에 나타내었다.

상기 참고도2는 상기 순응조(3) 내에서 배양된 미생물 배양액을 관찰한 것으로서, 상기 참고도1에서와 같이 작은 깨알같이 나타나는 것이 미생물이며 실털 같이 긴 것은 먹이로 공급된 폐수에 포함되어 유입된 사상성 세균들인데 용존 유기물분해에 간여하고 소량이므로 아무런 문제가 되지 않는다.

참고로, 상기 배양조 및 순응조 내에서의 미생물의 최대 성장시간에 대한 균주의 성장능은 배양의 탁도를 기준으로 하였으며, 시간경과에 따라 상기 배양조 및 순응조 내의 미생물 배양액에서 일정량을 채취하고, 이를 증류수로 10배 희석한 후 혼합하였다. 상기 미생물 배양액과 증류수를 혼합한 후 상기 혼합액을 UV-visible spectrophotometer(Shimadzu 160A)를 이용하여 660nm의 파장에서 흡광도가 가장 높은 시기를 최대 성장점으로 산정하였다.

그리고, 상기 순응조에서 배양된 미생물 배양액 시료를 확인 후 이상이 없으면 개폐밸브를 조작하여 미생물 배양액을 이송펌프(4)로 폭기조(100)에 이송하여폐수처리에 사용한다.

덧붙여, 본 발명에 따른 미생물 배양장치에 있어서, 상기 배양조 및 순응조에서의 미생물의 배양시간은 사용되는 미생물제재의 종류에 따라 차이가 있으나, 상기한 바와 같이 평균적으로 24∼36시간에서 최대의 증식을 나타내었으며 그 시간 이후로는 미생물 개체수에 비하여 배양조 내의 먹이가 부족하여 개체수가 점차적으로 감소되는 경향을 나타내었다.

한편, 상기 배양조(2)로부터 순응조(3)로 이송된 90wt%의 미생물 배양액을 배양 증식시키는 동안에 상기 배양조 내의 잔류하는 10wt%의 미생물 배양액에는 초기와 같은 방법으로 미생물제재를 제외한 모든 물질들을 투입하여 재배양하게 되는데, 이때, 미생물 배양액 200kg(10wt%)에 초기 배양 시와 동일하게 전분 22kg(1.1wt%), 일인산칼륨 1.5kg(0.075wt%) 및 요소 2.8kg(0.14wt%)을 투입하고, 용수 1773.7kg(88.685wt%)을 투입하여 재배양하며 다시 순응조로 유입시킬 수 있도록 준비한다.

상기와 같이, 상기 배양조(2)에서 순응조(3)로 미생물 배양액이 이송되고 33시간 정도 경과하고 나면 상기 배양조 및 순응조 내의 미생물이 모두 충분히 증식되게 된다. 이때, 상기 순응조의 배양액을 전량 폭기조 또는 미생물이 투입되어야 할 지점에 자연유하 또는 이송펌프를 이용하여 투입한다.

본 발명에서는, 상기 공정을 반복적으로 행함에 따라 상기 미생물 배양장치를 연속으로 운전할 수 있으며, 상기 공정이 반복되는 과정에서 시료채취구(18a,18b)로부터 채취된 미생물시료를 현미경으로 점경하는 과정에 있어서, 미생물의 개체수가 감소되거나 활성도가 빈약할 경우에는 미생물제재를 재투입하고, 사상성 세균이나 원생동물 등이 출현할 경우에는 순응조 내부를 배수 후 처음부터 새롭게 배양하도록 하며, 온도 등의 주변환경 이상으로 미생물의 농도가 감소되거나 또는 배양액이 기타 미생물로 인해 오염될 경우에는 배양조 및 순응조 내부를 전량 배수 및 세척 후 미생물제재(종균제)를 투입하여 초기와 같이 재배양한다.

한편, 본 실시예에서의 초기 배양 시와 연속 배양 시의 배양조 및 순응조 내에 공급한 미생물의 먹이 및 영양성분의 투입량에 대해 표1 및 표2에 각각 도시하였다.

상기 표 1을 살펴보면, 초기 배양 시에 배양조(2)에 미생물제재를 투입하여 배양시키는 동안 순응조는 대기상태에 있음을 알 수 있고, 표 2의 경우에는 순응조(3) 내의 미생물 배양액이 배양되는 동안 배양조 내에 별도의 미생물제재의 투입 없이 미생물 배양액의 먹이인 전분과 폐수, 영양성분인 인과 질소만을 투입하여 재배양하며, 순응조 내부에는 항상 동일량의 미생물 먹이 및 영양성분을 투입하여 공정을 반복하는 것이다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 상기와 같은 공정을 3~4회 반복적으로 배양한 후 1회 정도 미생물제재를 재투입할 필요가 있으므로, 이로 인해 평균 1kg의 미생물제재로 1개월간 사용할 수 있었으며, 배양조 용량의 1000배 정도의 폭기조 관리가 가능하였다.

이상과 같이 본 발명에 따른 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치 및 그 방법에 따르면, 생물학적 폐수처리공정에 있어서 종래의 미생물 직접투입 방식과는 달리 소량의 미생물제재를 이용하여 이를 효과적으로 배양 증식할 수 있고 증식된 미생물 중 일부를 재배양하여 투입하므로 미생물제재의 소요량이 절감되며, 본 발명에 따른 미생물 배양방법을 반복적으로 행하여 미생물을 배양 증식시킴에 따라 소량의 미생물제재만으로 폭기조 내에 유입되는 다량의 폐수를 처리할 수 있으므로 고가의 미생물제재의 사용량을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 미생물 배양장치에 의해 증식된 미생물 배양액을 폭기조에 지속적으로 공급할 수 있어 폐수처리공정의 유지관리가 용이할 뿐만 아니라 각 사업장에서 폐수의 성상에 적합한 미생물을 배양하여 투입할 수 있으므로 안정적인 폭기조 관리와 환경기준을 만족하는 배출수질범위 유지에 이용될 수 있다.

Claims (7)

1. 미생물을 배양하는 배양조(2);

   상기 배양조에 이송펌프(4)를 통해 연결되어 배양조로부터 이송된 미생물 배양액을 배양하는 순응조(3);

   상기 배양조와 순응조의 사이에 설치되어 미생물의 먹이 및 영양성분을 공급하는 전분공급부(5);

   상기 배양조의 외부에 설치되어 배양조에 공업용수를 공급하도록 전동밸브(9a)가 구비된 공업용수배관(6);

   상기 배양조와 순응조의 사이에 설치되어 그 내부로 공기를 공급하도록 공기유량계(10a,10b)가 구비된 송풍기(7); 및

   폐수처리장에 설치되어 상기 순응조 내부로 폭기조에 유입될 폐수를 이송하도록 전동밸브(9b)가 구비된 폐수이송펌프(8)를 포함함을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 배양조(2)는 상부에 구동력을 가진 모터(20)가 설치되고, 상기 모터의 작동으로 회전하면서 배양조 내의 미생물제재 등을 교반하는 제1교반장치(11)가 구비된 것을 특징으로 하는 미생물 배양장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 순응조(3)는 하부에 공기를 부상시키는 공기분출기(30)가 설치되고, 상기 공기분출기에 의해 미생물 배양액 등을 교반하는 다수의 제2교반장치(12)가 구비된 것을 특징으로 하는 미생물 배양장치.
4. 배양조에 미생물제재를 투입하고 전분과 인 및 질소를 공급한 후, 공업용수 및 공기를 유입하는 배양조 투입단계;

   상기 배양조의 미생물제재 등을 교반하면서 배양시키는 배양조 배양단계;

   상기 배양조에서 배양된 미생물 배양액의 10~20wt%를 잔류시키고 나머지 80~90wt%를 순응조에 이송시키는 단계;

   상기 순응조에 전분과 인 및 질소를 공급한 후, 폭기조에 유입되는 폐수 및 공기를 유입하는 순응조 투입단계;

   상기 순응조의 미생물 배양액을 교반하면서 배양시킴과 동시에 미생물을 폐수에 적응시키는 순응조 배양단계;

   상기 배양조의 잔류 미생물 배양액 10~20wt%에 전분과 인 및 질소를 공급한 후 공업용수를 유입하여 재배양한 것을 다시 순응조로 이송시키는 배양조 재배양단계;를 포함하며, 상기 순응조 배양단계 및 배양조 재배양단계를 반복적으로 행하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 배양조 투입단계는 미생물제재 0.01~0.02wt%에 전분 0.8~2wt%와, 일인산칼륨 0.06~0.1wt%와, 요소 0.1~0.2wt% 및 공업용수 97.7~99wt%를 공급 후 공기0.7~1.0m³/min을 가하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 순응조 투입단계는 배양조에서 이송된 미생물 배양액 17~20wt%에 전분 0.2~0.5wt%와, 일인산칼륨 0.02~0.04wt%와, 요소 0.01~0.03wt% 및 폐수 79.5~82.7wt%를 공급한 후 공기 0.7~1.0m³/min을 가하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 배양조배양 및 순응조배양단계는 온도 30~35℃에서 24~36시간 동안 배양시키는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리공정에서의 미생물 배양방법.