KR100420756B1

KR100420756B1 - 활성부식물질을 이용한 하·폐수의 처리방법

Info

Publication number: KR100420756B1
Application number: KR10-2001-0047820A
Authority: KR
Inventors: 서영준; 서희동
Original assignee: 서희동
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2004-03-12
Also published as: KR20010088932A

Abstract

본 발명은 부식물질의 풀브산(Fulvic acid) 및 금속착체가 유리의 상태로 유도되어 있으면서 자체산화기능, 산화탈취의 촉매기능, 유기물질을 거대 분자화하여 부식화반응을 촉진하는 기능 등을 가지고 있는 활성부식물질을 이용하여 하·폐수 및 생활오수 중 오염물질을 경제적이면서 안정적으로 처리하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 활성부식물질 펠레트(Pellet ; 16)와 활성화 미네랄(Minerals)성분이 다량 함유된 부석(15)이 충전된 생물반응기(14)가 내장된 미생물 배양조(13)에 침전조(5)에 침전된 반송오니 일부를 공급받아 활성부식물질 펠레트(16)와 부석(15)에서 부식물질생성미생물과 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 미생물의 생육에 필수적인 미네랄, 산화효소 및 기타 생리활성물질 등을 공급받아 활성화된 토양미생물을 배양하여 폭기조(3)에 보내어 하·폐수 중 유기물질(BOD, COD), 질소, 인 등의 오염물질을 물에 불용성물질인 부식물질생성 전 단계의 부식전구물질(腐植前驅物質)로 전환하여 침전조(5)에서 고액분리를 하여 상등액은 처리수조(7)로 보내어 방류한다.

침전조(5)에 침전되는 오니는 스크랩퍼(Scrapper;6)에 의해 침전조(5) 중앙의 콘(Cone) 부분으로 모인 것을 집수조(1), 폭기조(3), 배양조(14)로 반송하며, 잉여오니는 농축조(10)에서 농축한 후 탈수기 시스템(System)으로 이송하여 탈수처리하고, 농축조(10) 익류수와 탈수여액은 집수조(1)로 반송한다.

특이한 사항은 산화환원전위(ORP) 값이 낮은 폐수의 경우에는 부식화반응이 일어나기 어렵기 때문에 활성화된 풀브산과산화물의 금속착염상태인 액상활성부식물질을 배양조(13)와 폭기조(3)에 산화환원전위 값이 +350mV정도 유지될 수 있도록 주입하여 처리효율이 향상되도록 하였으며, 산화환원전위(ORP)값이 낮은 환원성폐수인 경우에는 활성부식물질 펠레트(16)와 부석(15)을 충진한 생물반응기(14) 만으로는 원활한 처리가 되지 않는 폐수도 고도처리가 가능하다.

또한, 처리비용, 시설비가 일반활성오니법에 비해서 저렴하므로 경제성이 높으면서 처리효율이 우수하기 때문에 하·폐수처리에 널리 보급될 것으로 기대된다.

Description

활성부식물질을 이용한 하·폐수의 처리방법{Treatment method of sewage and wastewater by using activated humic substances}

본 발명은 풀브산(Fulvic acid) 및 금속착체가 유리의 상태로 유도되어 있으면서 자체산화기능, 산화탈취의 촉매의 기능, 유기물질을 거대 고분자물질인 부식물질로 부식화하는 기능 등을 가진 활성부식물질을 이용하여 하·폐수 중 유기물질(BOD, COD), 질소, 인 등의 오염물질을 부식물질을 생성하는 전 단계의 물에 불용성인 부식전구물질로 전환하여 하·폐수를 경제적이면서 고도로 처리하는 방법에 관한 것이다.

활성부식물질은 류문암질이나 대사이드(Dacite)질 화산분출물을 배출하는 화산지역의 인근에 함몰(陷沒)되어 외부와 폐쇄된 늪 등에서 유기물질이 퇴적되어 생성된 강산성의 이탄(토탄)은 풀브산이 유리의 상태로 유도되어 있으며, 이 유리의 풀브산은 화산분출물(화산회) 중 활성화된 미네랄(Minerals)과 킬레이트(Chelate)성 금속착화합물을 형성하고 있으며, 또한, 생물학적 부식화반응에서 생성된 산화효소(Oxidase), 동·식물 및 토양미생물의 생리적 활성물질인 비타민(Vitamin), 성장촉진물질인 호르몬(Hormone), 유해병원성미생물과 부패 및 변패성미생물의 생육억제물질인 항생물질 등이 우수에 인해 외부로 유실(Wash-out)되지 않고 지열과 태양열에 의해 증발농축되어 있는 부식물질을 말한다.

천연적으로 출토되는 활성부식물질은 일본 나가사키현(長崎縣)의 운젠(雲仙)화산군 북서쪽 산기슭의 가라고(唐比) 습지의 이탄이 전형적인 활성부식물질로 알려져 있으며, 이를 하·폐수처리, 악취물질의 탈취처리, 토양 개량제, 사료 첨가제, 화장품 첨가제, 유기농법 등 여러 분야에 이용되고 있다.

가라고 습지의 활성부식물질의 생성 메카니즘(Mechanism)은 다음과 같다.

일본 나가사기현의 시마하라(島原) 반도의 운젠화산군은 약200년 주기로 약4000회 정도 폭발한 활화산군으로 화산분출물은 대사이드(Dacite)질로 활성 실리카(Silica), 활성 알루미늄(Aluminium) 및 기타 활성미네랄(Minerals) 성분이 다량 함유된 무정형함수(無晶形含水)의 알루미늄규산염광물인 알로페인(Allophane)질로 되어있다.

무정형함수의 알루미늄규산염광물인 알로페인질은 토양 중에서 물과 가수분해 반응에 의해서 수소이온(H⁺)을 방출하면서 pH가 2.0∼2.5 정도로 산성화되었다.

Al³⁺+ 3H₂O ----------＞ Al(OH)₃+3H⁺---①

Si⁴⁺+ 4H₂O ---------＞ Si(OH)₄+ 4H⁺---②

부식물질이 산성화되면서 부식물질 중 풀브산이 유리(遊離)의 상태로 유도되어 있다.

그리고, 유리된 풀브산은 활성화 미네랄성분과 킬레이트 금속착염을 형성하고 있다.

유기물질이 늪지에 유입되면 토양미생물에 의해 분해가 용이한 당류, 녹말과 같은 탄수화합물, 단순단백질과 같은 물질을 CO₂, H₂O, NH₃와 같은 간단한 무기물로 분해하면서 대사산물로 방향족적본질을 가지는 폴리페놀(Polyphenol)화합물을 배설하며, 폴리페놀화합물은 기존 부식물질 중에 존재하는 산화효소(Polyphenol Oxidase)에 의해서 퀴논(Quinone)화합물로 공기 중에서 산화된다.

폴리페놀 + O₂(공기) --^산화요소퀴논 + H₂O₂---③

반응식 ③에서 생성된 과산화수소(H₂O₂)는 풀브산 등과 반응하여 풀브산과산화물(Peroxyfulvic acid)을 생성하고, 풀브산과산화물은 산화효소를 생성한다.

풀브산 + H₂O₂산화효소--④

여기서 생성된 산화효소는 다음에 유입되는 유기물질이 토양미생물에 의해 폴리페놀로 되었다가 퀴논화합물로 산화하는데 촉매적인 역할을 한다.

퀴논화합물은 분해가 어려운 리그닌(Lignin), 섬유소(Cellulose), 타닌(Tanin), 단백질이 분해하여 생성된 아미노(Amino)산 등과 중·축합 반응을 하여 물에 불용성이면서 비휘발성인 거대 고분자물질인 안전한 무정형의 흑갈색인 부식물질로 된다.

부식물질 ---⑤

그리고, 부식물질을 먹이로 하는 슈도모나스 속(Pseudomonas sp.), 푸사륨속(Fusarium sp.), 아세토박터 속(Acetobacter sp.) 등과 같은 미생물은 대사산물 중에 동·식물은 물론이고 부식화미생물의 생육에도 도움을 주는 비타민, 호르몬 등과 같은 물질을 배설한다.

또한, 방사선균(Actinomycete)류는 병원성미생물, 유기물을 부패 및 변패를 하여 악취를 유발하는 미생물과 같은 유해성미생물에 항생작용(Antibiosis)을 하는 항생물질을 배설한다.

이와 같이 부식물질을 먹이로 하는 미생물은 토양미생물 중 폴리페놀 대사산물을 생성하는 부식화 미생물과는 상호공생(Mutalistic symbiosis) 관계에 있다.

가라고 습지는 운젠 화산군의 활동에 의해 침하되어 형성된 외부와 폐쇄되어 함몰된 곳으로 지질조사결과 약 38m정도 침하가 일어났으며, 지하 11m에서 38m까지는 풀브산 농도가 높은 해양성규조류와 해초 등 해양성 동·식물의 사체가 화산회와 혼합되어 퇴적된 이탄층을 형성하고 있으며, 지표면 그레이층(Grey horizon)에서 11m까지의 이탄은 부식산(Humic acid)의 농도가 하층의 해양성 동·식물이 퇴적되어 형성된 이탄에서 보다 높게 존재하였다.

아마, 지표에서 지하11m까지 이탄은 출구가 폐쇄된 이후에 육상의 동·식물의 사체가 퇴적되어 생성된 것으로 추정된다.

가라고 습지에 퇴적된 이탄은 주변과 폐쇄된 함몰된 늪지에서 대사이드질화산 회토와 동·식물의 사체가 퇴적되어 생성된 부식물질로 pH가 2.0∼2.5인 강산성으로 되면서 풀브산이 유리되었고, 유리된 풀브산은 대사이드질 화산회에 포함되어있는 활성화된 미네랄과 반응하여 킬레이트성 금속착화합물의 형태로 존재한다.

그리고, 부식화과정에서 생성된 산화효소, 생리적 활성물질인 비타민류, 동·식물의 성장촉진물질인 호르몬, 유해미생물의 생육억제 물질인 항생물질 등이 우수에 인해서 유실되지 않고 지열과 태양열에 의해서 증발농축 되어있는 전형적인 천연적으로 활성화된 부식물질로 존재한다.

이와 같은 활성부식물질의 특징은 다음과 같다.

1) 킬레이트성 금속착화물 상태의 미네랄 함량이 높다.

킬레이트성 착화합물 상태의 미네랄은 동·식물에 흡수효율이 우수하여 성장속도를 빠르게 한다.

토양미생물 중 유기물질을 부식화하는 폴리폐놀성화합물을 대사산물로 배설하는 부식화미생물은 세포내 미네랄성분이 많기 때문에 충분한 미네랄이 공급되었을 때 부식화미생물의 대사활동이 활발하게 된다.

2) 산화효소(Oxidase)농도가 높다.

산화효소는 부식화반응에서 촉매역할을 하며, 또한, 유기성 폐기물이 발효, 부패 및 변패시 발생하는 NH₃, H₂S, 휘발성아민, 인돌(Indole), 스카톨(Skatole), 메르캅탄(Mercaptan)과 같은 악취유발물질을 비휘발성인 고분자성 유기물질로 중·축합하는 부식화반응에서도 산화효소는 촉매역할을 한다.

3) 동·식물은 물론이고 부식물질생성 미생물의 생리활성물질인 비타민류, 성장촉진물질이 호르몬과 같은 활성물질이 다량 함유되어 있다.

4) 부식물질생성 미생물과 길항(Antagonism) 및 경합(Competition) 관계에 있는 미생물에 대한 항생물질이 함유되어 있다.

5) pH가 2전후의 강산성 물질로 존재한다.

6) 풀브산 함량이 많은 해양 규조류, 플랑크톤(Plankton), 해초와 같은 해양성 동·식물이 퇴적된 11m이하 하층의 부식물질이 활성도가 높다.

이상과 같은 특징을 가진 활성부식물질은 유기물질을 부식화하는 부식화미생물의 생리활성기능, 부식물질생성을 촉진하는 촉매기능, 악취유발물질을 비휘발성물질인 고분자물질로 중·축합반응의 촉매기능, 동 ·식물에 미네랄 공급기능 등을 가지고 있다.

전술한 가라고 습지에서 채굴되는 이탄과 같은 활성부식물질을 펠레트(Pellet)화 하여 건조한 활성부식물질 펠레트와 활성화 미네랄성분이 많이 함유된 류문암질이나 대사이드질의 부석을 충전한 생물반응기를 내장한 미생물 배양조에 침전조에서 폭기조로 반송하는 반송오니 일부를 공급받아 폴리페놀 대사산물을 생성하는 미생물을 배양하여 폭기조에 보내어 폐수 중 유기오염물질을 부식물질 생성전 단계의 물에 불용성인 부식전구물질로 유도하여 침전조예서 고액분리를 하여 유기성물질을 함유한 폐수처리방법으로는 일본 특허공보 평(平) 5-66199호는 축산폐수, 식품가공장 폐수, 수산물가공장 폐수, 전분가공장 폐수, 도축장 폐수, 분뇨처리, 생활오수와 같이 산화환원전위(ORP;Oxidation Reduction Potential) 값이 높은 폐수의 경우에는 일반활성오니법에 비해서 처리효율이 우수하였다.

반면에 산화환원전위 값이 낮은 폐수의 경우는 처리효율이 떨어졌으며, 환원성 폐수의 경우에는 전혀 효과가 없었기 때문에 한정된 폐수처리에만 적용되고 있다.

이외에도 일본특허공보 평(平) 5-4156과 평(平) 7-323297, 일본공개특허공보로서 소(昭) 62-244489, 평(平) 1-99691, 281197, 307495, 평(平) 2-144192, 평(平) 5-49811, 평(平) 8-155483, 평(平) 9-24368, 29217, 66292, 평(平) 10-34175, 216795, 244291, 평(平) 11-169882, 169886, 277070, 미국특허번호 US-6112458(20000905), 대한민국특허공보 공고번호 97-2486, 대한민국특허공개특허공보로서 공개번호 1998-043133, 082124, 공개번호 1999-0068819, 공개번호 2000-0072333, 0072334, 공개번호 2001-0029182 등 여러 선행기술이 있으나 활성부식물질이 하·폐수에 함유되어 있는 유기오염물질의 정확한 정화처리 메커니즘(Mechanism), 활성부식물의 특성, 처리시스템(System)에 생육하는 미생물의 종류와 적정 환경조건 등을 정확한 이해와 파악이 되지 않았기 때문에 극히 일부 폐수처리에만 적용되어 왔으며, 처리효율이 떨어지는 폐수에 대해서는 원인 규명이 되지 않고 있는 실정이다.

활성부식물질을 이용하여 오·폐수처리에 적용한 최초의 기술인 전술한 일본특허공보 평(平) 5-66199의 발명자 및 개발회사에서는 규산알루미늄염(Aluminosolicates) 토양의 부식층이나 규산염광물의 표면에 생식하면서 규산알루미늄염을 활발히 분해하는 간상(桿狀)의 간균군으로 원래는 무기물질을 에너지(Energy)원으로서 증식되는 독립영양세균으로 유기물이 존재하는 조건에서는 유산균(乳酸菌) 등의 토양성유용균과 아주 유사한 활동을 하는 미생물에 의해 폐수 중 유기오염물질이 물에 불용성의 부식전구물질로 전환되어 침전조에서 고액분리하여 폐수가 정화되는 것으로 보았으며, 질소와 인은 일반활성오니법에서 혐기-호기를 교호(交互) 운전을 하여 질소화합물은 1차 호기성 조건에서 아질산화 및 질산화 미생물에 의해 아질산 및 질산 이온으로 산화하고 2차 혐기성 조건에서는 아질산 및 질산이온이 질소(N₂) 가스(Gas)로 탈질되는 것으로 보아 폭기조의 운전을 혐기-호기의 교호 운전을 하였으나 질소제거효율은 연속폭기에 비해서 떨어졌다.

또한, 인의 제거도 혐기성 후 호기성으로 하면 미생물이 인을 과잉섭취하는 오버 플러스(Over plus) 현상에 인하여 제거되는 것으로 보았으나 연속폭기에 비해서 인제거효율이 저조하였다.

또한, 천연산의 활성부식토에는 특수 토양미생물(부식화균)군의 담체로 간주되었으나 실제 pH가 낮은 강산성으로 어떠한 미생물로 동정(同定) 되지 않았다.

전술한 종래의 대부분 기술은 천연활성부식토가 매장되어 있는 일본 나가사기현의 가라고 저습지의 주변 목장에서 축산폐수가 제대로 정화되지 않은 상태에서 유입되었는데도 일반 하천이나 호수에 비해서 빠른 자정작용이 일어나는 것을 보고 이 활성부식토를 오·폐수처리에 이용한데 지나지 않으며, 활성부식토에 의한 정화메커니즘과 활성부식토의 역할 및 특징에 관한 가설이 실제 일어나는 현상과는 상당한 차이가 있어 진보된 기술이 개발되지 못하였다.

본 발명에서는 활성부식물질을 첨가하였을 때 배양조(13)와 폭기조(3)에서 생육하는 미생물을 동정한 결과 에어로모나스 속(Aeromonas sp.), 인축적율이 높은 액시네토박터 속(Acinetobacter sp.), 코리네폼박테리아(Coryneformbacteria), 세라티아속(Serattia sp.), 마이크로코커스 속(Micrococcus sp.), 방선균(Actinomyces sp.), 페니실륨 속(Penicillium sp.), 아스페르길러스 속(Aspergillus sp.), 점액성의 믹소박테리아(Myxobacteria) 등의 미생물이 우점종으로 동정되었으며, 그리고, 미확인균도 다수 있었다.

그러나, 일본특허공보 평(平) 5-66199에서 주장한 바실루스 속(Bacillus sp.)과 같은 간균군은 동정되지 않았으며, 특이한 사항은 일반활성오니에서 우점적으로 존재하는 슈도모나스 속(Pseudomonas sp.)도 동정되지 않았다.

그리고, 스타필로코커스 속(Staphylococcus sp.), 플래보박터륨 속(Flavobacterium sp.), 캔디다 속(Candida sp.) 등은 활성오니에 비해서 구성비율이 적었다.

질소화합물의 제거는 아질산 및 질산화 후 질소(N₂) 가스로 탈질되는 것이 아니고, 물에 불용성인 부식전구물질에 부동화(Immobilization)되는 것으로 밝혀졌으며, 인화합물 역시 부식전구물질에 부동화되어 제거되는 것으로 밝혀졌다.

배양조(13)에 미네랄의 공급은 액상의 킬레이트성 풀브산 금속착염의 상태에서 0.0003%이상 공급되었을 때 미생물 번식이 활발하였으며 처리효율도 향상되었다.

본 발명에서 특이한 사항은 배양조(13)와 폭기조(3)의 산화환원전위(ORP) 값에 따라서 처리효율에 상당한 영향이 있는 것으로 밝혀졌다.

배양조(13)에서 산화환원전위 값은 +350∼+400mV에서 토양미생물(부식화미생물)의 배양이 원활하였으며, 폭기조(3)에서는 산화환원전위 값이 +300mV이상이 되어야 처리효율이 높았으며, +250mV이하에서는 처리효율이 급격히 저하하였다.

+100mV부근에서는 일반활성오니와 유사한 처리효율을 나타내었다.

그리고, 산화환원전위 값이 낮은 폐수의 경우 산화환원전위값을 향상하기 위해 산화제(H₂O₂, NaOCl 등)를 주입하는 것보다는 풀브산을 전해산화에 의해 산화한 전해산화수나 풀브산에 과산화수소(H₂O₂)와 황산제일철(FeSO₄)을 주입하여 플브산 과산화물로 산화한 산화수를 류문암질이나 대사이드질 부석과 반응하여 킬레이트성 금속착염상태로 만든 산화제를 이용하는 것이 안정적인 산화환원전위 값을 유지할 수 있었으며, 처리효율도 향상할 수 있었다.

하·폐수 및 생활오수를 활성부식물질을 이용하여 부식화반응에 의해서 고도처리를 하기 위해서는 배양조(13)에서 충분한 미네랄과 산화환원전위 값을 +350∼+400mV로 유지하고, 폭기조(3)의 산화환원전위 값을 +350mV이상 유지하면 일반활성오니법에 비해서 적은 운전비용으로 고도로 처리를 할 수 있었다.

그리고, 부식화반응에 관계하는 대부분의 미생물은 담체 등에 부착성이 우수한 미생물로 폭기조(3) 내에 담체를 충전하는 것이 오염물질에 대한 용적부하를 증가할 수 있기 때문에 담체를 충전하면 시설용량이 적어지면서 부지면적이 적어진다.

본 발명은 하·폐수 및 생활오수의 처리에 현재까지 주로 적용되어 오던 활성오니공법과 이를 응용한 공법에 비해서 적은 운전비용과 시설비로 고도의 처리를 하고져 한다.

본 발명의 목적은 하·폐수 및 생활오수의 유기오염물질(BOD, COD), 질소, 인 등을 경제적으로 고도처리하여 배출하는 하천이나 호수 및 인근해역에서 부영양화 및 적조현상을 예방코져하며, 특히 오염부하가 높은 축산폐수, 분뇨와 같은 고농도 폐수의 경우도 고도처리를 하여 공업용수나 농업용수로 사용하여도 지장이 없는 수준까지 처리코져 한다.

도 1은 하수, 오수, 저농도 폐수의 경우 활성부식물질을 이용한 처리공정에서 생물반응기(14)를 배양조(13) 내부에 설치한 공정도

도 2는 하수, 오수, 저농도 폐수의 경우 활성부식물질을 이용한 처리공정에서 생물반응기(14)를 배양조(13) 외부에 설치한 공정도

도 3은 고농도 폐수의 경우 활성부식물질을 이용한 처리공정에서 생물반응기(14)를 배양조(13) 내부에 설치한 공정도

도 4는 고농도 폐수의 경우 활성부식물질을 이용한 처리공정에서 생물반응기(14)를 배양조(13) 외부에 설치한 공정도

도 5는 이탄(토탄)에서 풀브산(Fulvic acid) 제조공정도

도 6은 풀브산을 격막이 설치된 전기산화조에서 풀브산 전해산화수 제조 공정도

도 7은 풀브산을 격막이 없는 전기산화조에서 풀브산 전해산화수 제조 공정도

도 8은 풀브산을 과산화수소(H₂O₂)와 황산제일철(FeSO₄)을 이용하여 풀브산산화수 제조 공정도

도 9는 풀브산 전해산화수나 산화수에 미네랄을 공급하여 액상 활성부식물질 제조 공정도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 집수조 2: 하·폐수 이송펌프(Pump)

3: 폭기조 4: 담체

5: 침전조 6: 침전조 스크랩퍼(Scrapper)

7: 처리수조 8: 반송펌프

9: 공기 송풍기(Air blower) 10: 농축조

11: 농축조 스크랩퍼 12: 농축오니 이송펌프

13: 배양조 14: 생물 반응기

15: 활성부식물질 펠레트(Pellet) 16: 부석

17: 액상 활성부식물질 공급펌프 18: 액상 활성부식물질 저장탱크(Tank)

19: 배양조 순환펌프 20: 이탄 알칼리(Alkali) 반응탱크

21: 이탄 알칼리반응탱크 교반기 22: 알칼리용액 이송펌프

23: 산반응 탱크 24: 산반응탱크 교반기

25: 산용액 이송펌프 26: 액상풀브산 저장탱크

27: 액상풀브산 저장탱크 교반기 28: 액상풀브산 이송펌프

29: 전해 산화조 30: 격막

31: 음극판 32: 양극판

33: 정류기 34: 산화제 반응탱크

35: 산화제 반응탱크 교반기 36: 미네랄 용해탱크

37: 부석 충전탑 38: 액상 활성부식물질 이송펌프

첨자 a는 고농도폐수처리의 1차처리공정에서 기기의 명칭

b는 고농도폐수처리의 2차처리공정에서 기기의 명칭

상기의 목적을 달성하기 위해서 도면을 중심으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 처리공정은 일반표준활성오니공정과 유사하며, 차이점은 침전조(5)에서 폭기조(3) 및 집수조(1)로 반송하는 오니의 일부를 배양조(13)로 보내어 토양미생물 중 유기물질을 부식화하여 물에 불용성인 부식물질을 생성하는 부식화미생물을 배양하여 폭기조(3)로 보내어 전체시스템(System)을 유기오염물질이 부식화 미생물에 의해 정화처리되는 계(系)로 전환한다.

처리효율을 향상하기 위해서는 배양조(13)에서 활성화된 부식화미생물을 배양하여 폭기조(3)에 활성화된 부식화미생물을 공급되어야 하며, 짧은 시간에 부식화반응효율을 향상하기 위해서는 산화분위기에서 충분한 산화효소(Oxidase)가 공급되어야 한다.

배양조(13)에서 산화환원전위(ORP)값은 +350∼+400mV 정도로 조정한다.

토양에서 유기물질을 물에 불용성이면서 안정된 고분자 물질인 부식물질을 만드는 토양미생물(부식화미생물)의 특성은 화강암질 토양과 같은 규산알루미늄광물로부터 충분한 미네랄을 섭취하여야 활발한 대사활동을 할 수 있다.

부식물질을 생성하는 미생물과 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 미생물들은 대부분 세포막(Membrane cell)이나 세포내에 일반미생물에 비해서 칼슘(Calcium), 마그네슘(Magnesium), 철분, 아연, 인과 같은 미네랄 성분이 많다.

그리고, 전술한바와 같이 이들 미생물의 대사산물과 미분해성 유기물이 중·축합반응을 하여 거대 고분자물질인 부식물질이 생성되기 위해서는 산화효소의 촉매역할이 필수적이며, 산화환원전위 값이 +350mV정도의 산화성 분위기가 되어야 한다.

그래서, 배양조(13) 내에는 활성화 실리카(Silica), 알루미나(Alumina), 기타 미네랄(Minerals) 성분이 많은 류문암질이나 대사이드(Dacite)질의 부석(16)과 풀브산(Fulvic acid) 및 금속착체가 유리의 상태로 유도되어 있으면서 자체산화기능, 산화탈취의 촉매의 기능, 유기물을 거대 고분자화하여 부식물질생성을 촉진하는 기능 등을 가진 천연산의 활성부식토를 펠레트(Pellet)형태로 가공한 활성부식물질 펠레트(15)나 풀브산 함량이 많은 해양 규조류, 해초 등의 해양성 동·식물의 사체가 퇴적되어 형성된 이탄(토탄)을 산처리를 하여 풀브산을 유리한 다음 알로페인(Allophane)질 광물의 분말을 주입하여 킬레이트성 풀브산 미네랄 금속착염을 만들고 이에 과산화수소(H₂O₂)와 황산제일철(FeSO₄)을 주입하여 플브산 과산화물의 금속착염 형태로 한 인공활성부식물질 분말에 고형제를 혼합하여 펠레트 형태로 성형 가공한 후에 건조한 인공활성부식물질 펠레트(15)를 충전한 생물반응기(14)를 도1에서와 같이 배양조(13) 내에 설치하여 생물반응기(14) 하부에 공기를 주입하여 폭기를 하면 배양조(13)의 배양액은 공기와 함께 에어리프팅(Air-lifting)되면서 생물반응기(14)내에 충전된 활성부식물질 펠레트(15)와 부석(16)층을 통과하면서 미네랄, 산화효소, 기타 활성물질을 공급받아 부식물질생성 미생물과 이들 미생물과 상호 공생관계에 있는 미생물은 활성화된 상태로 배양된다.

또한, 생물반응기(14)를 도2에서와 같이 배양조(13) 외부에 설치하여 배양조 순환펌프(19)에 의해 배양조(13)의 배양액을 생물반응기(14)를 순환하면서 충전된 활성부식물질 펠레트(15)와 부석(16)으로부터 미네랄, 산화효소, 기타 활성물질을 공급받아 부식물질을 생성하는 미생물과 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 미생물이 활성화된 상태로 배양된다.

산화환원전위(ORP) 값이 낮은 폐수의 경우에는 부식화반응이 일어나기 어렵기 때문에 유리풀브산 금속착염의 산화수인 액상 활성부식물질을 주입하여 부식화 반응이 활발히 일어날 수 있도록 산화환원전위값을 조정할 필요가 있는데, 배양조(13) 경우에는 +350∼+400mV로 조정하며, 집수조(1) 및 폭기조(3)의 경우는 +300∼+350mV로 조정한다.

유리풀브산 금속착염의 산화수인 액상 활성부식물질의 제조는 다음과 같다.

풀브산 함량이 높은 해양 규조류, 플랑크톤, 해초 등의 해양성 동 ·식물이 퇴적되어 형성된 이탄(토탄)을 도5의 이탄알칼리(Alkali)반응탱크(20)에 주입하고 여기에 산을 주입하여 가성소다(NaOH)와 같은 알칼리를 주입하여 액상화하고, 이에 산을 주입하여 부식산(Humic acid)을 침전제거 한 다음 액상의 풀브산을 추출한다.

액상의 풀브산은 도6에서와 같이 격막(30)이 있는 전해산화조(29)의 양극(32)실로 공급하여 산화환원전위 값이 +700∼+1100mV범위의 전해산화수를 생산하거나, 도7에서와 같이 격막이 없는 전해 산화조(29)의 음극(31)은 수소발생과전압이 낮은 재질을 사용하고, 양극(32)은 산소발생과전압이 높은 재질을 사용하여 정류기(33)에서 직류전류를 인가하면 전해산화조(29)의 분위기는 산화분위기가 되어 풀브산 전해산화수가 생성된다.

또한, 도8에서와 같이 액상 풀브산을 산화제반응탱크(34)에 주입하고 과산화수소(H₂O₂)와 같은 산화제와 황산제일철(FeSO₄)을 당량대 당량으로 주입하여 산화제 반응탱크교반기(35)로 교반하면서 산화환원전위 값을 +700∼+1100mV정도로 조정하면 액상의 풀브산 과산화물인 풀브산 산화수가 생성된다.

상기에서 생산된 풀브산 전해산화수나 산화수는 도9의 미네랄 용해탱크(36)에 공급한다.

미네랄 용해탱크(36)에는 활성화 미네랄성분이 다량 함유되어 있는 류문암질이나 대사이드질의 부석(16)이 충전된 부석충전탑(37)을 설치하고 풀브산 전해산화수나 산화수를 충전된 부석(16)과 접촉교반 또는 순환하면 풀브산과산화물의 금속착염인 액상 활성부식물질이 생성된다.

배양조(13)에서 부식물질을 생성하는 미생물과 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 활성화된 배양미생물과 산화효소, 기타 활성물질이 함유된 배양액을 폭기조(3)에 이송하면 물속의 유기오염물질은 부식화반응에 의해서 물에 불용성인 부식전구물질로 전환되는 생물학반응이 일어난다.

이때, 질소, 인 화합물도 부식전구물질에 부동화(不動化;Immobilzation)되어 물에 불용성 물질로 전환된다.

하·폐수 중 유기오염물질, 질소, 인 등이 폭기조(3)에서 물에 불용성물질인 부식전구물질로 전환되면 침전조(5)로 보내어 물에 불용성인 부식전구물질인 오니를 침전분리하고, 상등액은 처리수조(7)로 보내어 방류한다.

침전된 오니는 집수조(1)와 폭기조(3)에 종오니용으로 반송하고 일부는 배양조(13)로 보내어 활성화된 미생물을 배양하여 폭기조(3)로 보낸다.

잉여오니는 농축조(10)로 보내어 오니를 농축한 다음 탈수기시스템으로 보내어 탈수처리한다.

농축조(10)의 익류수와 탈수기시스템의 탈수여액은 집수조(1)로 보낸다.

부식물질을 생성하는 부식화미생물과 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 미생물들은 폭기조(3)에 담체를 설치하였을 때 부착성이 우수하여 오니 밀도가 증가하기 때문에 폭기조의 용적부하율이 향상되면서 처리효율이 향상하므로 폭기조에는 담체(4)를 설치한다.

그리고, 축산폐수, 분뇨와 같이 고농도의 폐수의 경우는 전술한 도1 또는 도2와 같은 처리공정을 도3 또는 도4와 같은 2단계에 의해서 처리하는 공정으로 고농도폐수를 담체(4)가 설치된 1차폭기조(3a)에 주입하고, 전술한 풀브산과산화물의 금속참염상태인 액상활성부식물질을 주입하여 산화환원전위값이 +300∼+350mV범위로 조정하면서 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면 폐수중 오염물질은 부식화반응에 의해서 물에 불용성인 부식전구물질로 전환한 다음에 1차침전조(5a)로 보내어 침전전된 부식전구물질, 부식화미생물 등의 물에 불용성인 오니는 종오니용으로 1차폭기조(3a) 및 집수조(1)로 반송하면서 일부의 반송오니를 도3에서와 같이 활성부식물질 펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 1차생물반응기(14a)를 1차배양조(13a) 내부에 설치한 1차배양조(13a)나 도4에서와 같이 활성부식물질 펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 1차생물반응기(14a)를 1차배양조(13a) 외부에 설치하고 1차배양조순환펌프(19a)에 의해서 배양액을 순환하는 1차배양조(13a)로 보내어 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 풀브산과산화물의 금속착염상태인 액상활성부식물질을 주입하여 산화환원전위값을 +350∼+400mV범위로 조정하면서 활성화된 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물을 배양하여 1차폭기조(3a)에 보내며, 잉여오니는 농축조(10)로 보내어 농축된 오니는 탈수기시스템으로 보내어 탈수처리를 하며, 상등액인 1차처리수는 1차처리수조(1b)로 보낸 다음에 폐수이송펌프(2b)에 의해서 담체(4)가 설치된 2차폭기조(3b)로 보내어 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 폐수중 오염물질을 부식화반응에 의해서 물에 불용성인 부식전구물질로 전환하여 2차침전조(5b)로 보내어 침전전된 부식전구물질, 부식화미생물 등의 물에 불용성인 오니는 종오니용으로 2차폭기조(3b)로 반송하면서 일부의 반송오니를 도3에서와 같이 활성부식물질 펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 2차생물반응기(14b)를 2차배양조(13b) 내부에 설치한 2차배양조(13b)나 도4에서와 같이 활성부식물질펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 2차생물반응기(14b)를 2차배양조(13b) 외부에 설치하고 2차배양조순환펌프(19b)에 의해서 배양액을 순환하는 2차배양조(13b)로 보내어 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 활성화된 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물을 배양하여 2차폭기조(3b)에 보내며, 잉여오니는 농축조(10)로 보내어 농축된 오니는 탈수기시스템으로 보내어 탈수처리를 하며, 상등액인 최종처리수는 처리수조(7)로 보내어 방류한다.2처리공정의 배양조(13b)에는 풀브산과산화물의 금속착염상태인 액상활성부식물질을 주입하여 산화환원전위 값을 조정할 필요가 없다.

[실시 예1]

일반표준활성오니법으로 운전되고 있는 생활오수 450톤/일을 50㎥ 용량의 배양조(13)를 설치하여 천연산 활성부식 펠레트 20㎏과 대사이드질 부석 40㎏을 충진한 생물반응기(14)를 내장하여 운전한 결과와 이에 액상 활성부식물질을 주입하여 배양조에서 산화환원전위 값을 +350∼+400mV범위로 유지하고, 폭기조(3)의 산화환원전위 값을 +300∼+350mV범위로 유지하면서 운전한 결과 처리수질은 표1의 내용과 같다.

유입수의 평균수질은 BOD₅=350∼400mg/ℓ, COD_Mn=300∼320㎎ℓ, T-N=40∼50mg/ℓ, T-P=15∼18mg/ℓ이었다.

표 1 생활오수의 처리결과표

[실시 예2]

슬러리(Slurry) 돈사에서 배출되는 축산분뇨 10∼12톤/일을 탈수처리 후 배양조(13a, b)에 활성부식 펠레트 15㎏과 대사이드질 부석 30㎏을 충전한 생물반응기(14a, b)를 1단과 2단에 각각 설치하여 운전한 결과와 액상 활성부식물질을 1단계 배양조(13a)에 주입하여 산화환원전위 값을 +400mV 전후로 유지하고, 폭기조에도 주입하여 산화환원전위 값을 +350mV 전후로 유지하면서 처리하였을 때 처리수질은 표 2의 내용과 같다.

슬러리 돈사 배출폐수를 탈수하였을 때 수질은 BOD₅=5000∼6000mg/ℓ, COD_Mn=3300∼4500mg/ℓ, T-N= 5000∼5500mg/ℓ, T-P=400∼500mg/ℓ이었다.

표 2 활성부식물질을 이용한 돈사폐수의 처리결과

[실시 예3]

스티렌 모노머(Styrene Monomer) 등을 제조하는 석유화학공장 배출폐수를 일반표준활성오니법과 활성부식 펠레트(15)와 대사이드질 부석(16)을 충진한 생물반응기(14)가 내장된 배양조(13)를 설치하여 운전한 결과와 이의 배양조와 폭기조에 액상 활성부식물질을 주입하여 산화환원전위 값을 각각 +350mV이상으로 하여 파이럿 테스트(Pilot-Test)한 결과는 표 3의 내용과 같다.

배출폐수의 BOD₅는 700∼750mg/ℓ이며, COD_Mn은 800∼900mg/ℓ이었으며 산화환원전위 값은 -250mV이었다.(질소, 인은 없음)

표 3 석유화학공장 배출폐수의 처리결과

전술한 기술내용으로부터 자명하듯이, 하·폐수 및 생활오수의 처리를 현재까지 주로 적용하여오던 표준활성오니법에 비해서 활성화부식물질을 이용하여 부식화 반응에 의한 처리가 산화환원전위 값이 폭기를 하였을 때 +250mV이상인 폐수의 경우에는 활성부식물질 펠레트와 부석을 충진한 생물반응기가 내장된 배양조만으로도 경제적으로 고도의 처리를 할 수 있었다.

그러나, 산화환원전위 값이 폭기를 하였을 때 +200mV이하인 폐수의 경우에는 일반활성오니법과 대등한 처리가 되어 널리 보급되지 못하였다.

본 발명에서는 고상의 활성부식물질 펠레트와 부석을 충진한 생물반응기가 내장된 배양조와 함께 액상의 활성부식물질을 주입하여 산화환원전위 값을 부식화반응이 신속하게 일어날 수 있도록 조정하므로서 종래의 기술에 비해서 처리효율이 월등히 향상되면서 대부분 유기성 오염물질이 함유된 하·폐수 및 생활오수 처리에 적용할 수 있게 되므로서 적용 범위가 넓어졌다.

특히, 하수처리의 경우 BOD, COD는 물론이고 질소, 인을 경제적으로 고도 처리를 할 수 있는 방법이 없었는데 본 발명은 기존 표준활성오니공정에 활성부식물질 펠레트와 류문암질이나 대사이드질 부석이 충전된 생물반응기가 내장된 배양조와 액상 활성부식물질을 공급하여 산화환원전위 값을 조정할 수 있는 시스템만 추가설비를 하면 경제적으로 고도처리를 할 수 있기 때문에 파급 효과가 매우 클 것으로 기대된다.

Claims

하·폐수 및 생활오수를 담체(4)가 설치된 폭기조(3)에 주입하고, 풀브산과 산화물의 금속착염상태인 액상활성부식물질을 주입하여 산화환원전위값이 +300∼ +350mV범위로 조정하면서 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면 폐수중 오염물질은 부식화반응에 의해서 물에 불용성인 부식전구물질로 전환한 다음에 침전조(5)로 보내어 침전전된 부식전구물질, 부식화미생물 등의 물에 불용성인 오니는 종오니용으로 폭기조(3) 및 집수조(1)로 반송하면서 일부의 반송오니를 도1에서와 같이 활성부식물질펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 생물반응기(14)를 배양조(13) 내부에 설치한 배양조(13)나 도2에서와 같이 활성부식물질펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 생물반응기(14)를 배양조(13) 외부에 설치하고 배양조순환펌프(19)에 의해서 배양액을 순환하는 배양조(13)로 보내어 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 풀브산과산화물의 금속착염상태인 액상활성부식물질을 주입하여 산화환원전위값을 +350∼+400mV범위로 조정하면서 활성화된 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물을 배양하여 폭기조(3)에 보내며, 잉여오니는 농축조(10)로 보내어 농축된 오니는 조수기시스템으로 보내어 탈수처리를 하며, 상등액인 처리수는 처리수조(7)로 보내는 공정에 의해서 수중의 유기물질, 질소, 인과 같은 오염물질을 고도로 처리하는 방법.
제 1항에 있어서, 축산폐수, 분뇨와 같이 고농도 폐수의 경우에는 폐수를 담체(4)가 설치된 1차폭기조(3a)에 주입하고, 풀브산과산화물의 금속착염상태인 액상활성부식물질을 주입하여 산화환원전위값이 +300∼+350mV범위로 조정하면서 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면 폐수중 오염물질은 부식화반응에 의해서 물에 불용성인 부식전구물질로 전환한 다음에 1차침전조(5a)로 보내어 침전전된 부식전구물질, 부식화미생물 등의 물에 불용성인 오니는 종오니용으로 1차폭기조(3a) 및 집수조(1)로 반송하면서 일부의 반송오니를 도3에서와 같이 활성부식물질펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 1차생물반응기(14a)를 1차배양조(13a) 내부에 설치한 1차배양조(13a)나 도4에서와 같이 활성부식물질펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 1차생물반응기(14a)를 1차배양조(13a) 외부에 설치하고 1차배양조순환펌프(19a)에 의해서 배양액을 순환하는 1차배양조(13a)로 보내어 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 풀브산과산화물의 금속착염상태인 액상활성부식물질을 주입하여 산화환원전위값을 +350∼+400mV범위로 조정하면서 활성화된 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물을 배양하여 1차폭기조(3a)에 보내며, 잉여오니는 농축조(10)로 보내어 농축된 오니는 탈수기시스템으로 보내어 탈수처리를 하며, 상등액인 1차처리수는 1차처리수조(1b)로 보낸 다음에 폐수이송펌프(2b)에 의해서 담체(4)가 설치된 2차폭기조(3b)로 보내어 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 폐수중 오염물질을 부식화반응에 의해서 물에 불용성인 부식전구물질로 전환하여 2차침전조(5b)로 보내어 침전전된 부식전구물질, 부식화미생물 등의 물에 불용성인 오니는 종오니용으로 2차폭기조(3b)로 반송하면서 일부의 반송오니는 도3에서와 같이 활성부식물질 펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 2차생물반응기(14b)를 2차배양조(13b) 내부에 설치한 2차배양조(13b)나 도4에서와 같이 활성부식물질펠레트(15)와 부석(16)을 충전한 2차생물반응기(14b)를 2차배양조(13b) 외부에 설치하고 2차배양조순환펌프(19b)에 의해서 배양액을 순환하는 2차배양조(13b)로 보내어 공기송풍기(9)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 활성화된 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물을 배양하여 2차폭기조(3b)에 보내며, 잉여오니는 농축조(10)로 보내어 농축된 오니는 탈수기시스템으로 보내어 탈수처리를 하며, 상등액인 최종처리수는 처리수조(7)로 보내어 방류하는 공정에 의해서 수중의 유기물질, 질소, 인과 같은 오염물질을 고도로 처리하는 방법.