KR100453388B1

KR100453388B1 - 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR100453388B1
Application number: KR10-2002-0015292A
Authority: KR
Inventors: 원유정; 정병철; 송정훈; 최현이
Original assignee: (주)인수환경과학
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2004-10-15
Also published as: KR20030075829A

Abstract

본 발명은 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) ATCC 6633을 폴리부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트 및 폴리부틸렌석시네이트-co-텔레프탈레이트로 이루어진 생분해성 지방족폴리에스테르수지에 고정화시킨 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제에 관한 것이다.

Description

서방성 오ㆍ폐수처리 종균제 및 그의 제조방법 {The Seed culture delivery system for foul water and wastewater and their manufacturing method}

본 발명은 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) ATCC를 생분해성 지방족폴리에스테르수지에 고정화시킨 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제에 관한 것이다. 좀더 자세하게 설명하면 본 발명은 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) ATCC 6633을 폴리부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트 및 폴리부틸렌석시네이트-co-텔레프탈레이트로 이루어진 생분해성 지방족폴리에스테르수지에 고정화시킨 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제에 관한 것이다.

생분해성 플라스틱이라함은 성형품, 포장제, 위생용품, 농업용품 등으로 사용한 플라스틱을 소각처리하지 않고 단순히 매립하므로써 미생물의 작용에 의하여 수개월 내에 물, 이산화탄소, 메탄가스 등으로 완전분해되는 플라스틱을 말한다. 현재 이미 개발된 생분해성 수지는 무독성 천연물인 전분인 옥수수, 감자 등에 첨가제를 넣고 압출기로 가공한 전분계 생분해성 수지와 화학적으로 합성한 생분해성 지방족폴리에스테르수지가 있다.

본 발명은 생활하수의 생물학적처리 또는 산업폐수의 생물학적 처리에서 발생하는 가장 큰 문제점의 하나인 안정적 오니 활성화 및 무인자동처리 문제를 해결 하기 위한 것이다. 즉, 본 발명은 자연자원에서 추출하여 정제한 미생물에 의해 서서히 분해되고 자화가 가능한 생분해성 지방족폴리에스테르수지를 담체로 사용하여 여기에 미생물 또는 오·폐수처리용 관리제 약품을 고정화기술에 의해 포괄, 가교 또는 담체 결합시킴으로서 생물학적 처리시설에 투입시 오니의 관리제 약품이나 미생물이 서서히 용출되어 영속적이고 안정적인 오·폐수의 처리가 가능하도록 한 것이다.

식품공업, 피혁공업, 제지공업 등 각종 산업체에서 발생하는 공업폐수나 생활하수의 처리는 대부분 생물학적 처리의 의존하고 있으며 이때 처리 시스템 내에 활성오니를 안정적으로 번식·활성화하여 유지시키는 것이 매우 중요한 요건이다.이를 위해 기존에 사용되는 오ㆍ폐수처리용 종균제 또는 관리제들은 모두 액상 또는 분말상의 제품들로서 이를 폭기조나 정화조에 투입할 경우 지속적인 관리 및 유지 효과가 낮아 지속적인 효과를 얻기 위해서는 오ㆍ폐수처리용 종균제 또는 관리제 약품의 계속적인 투입이 필요하였으며, 특히 시간대별로 유입 수량의 변동이 큰 오ㆍ폐수 처리시설이나 순간 다량 유입수에 대비한 저류조의 용량이 적은 합병 정화조에서는 순간적으로 오ㆍ페수의 유입량이 폭증할 때 단 시간내에 오ㆍ폐수처리용 종균제 또는 관리제 약품의 성분이 방류수로 유출되어 그 효율이 더욱 저조하였다.

이러한 문제의 해결방안으로 접촉여재에 미생물을 코팅시킨 제품으로서 토양담체 및 세라믹담체에 미생물을 흡착시킨 접촉여재가 개발되어 시판되고 있으나, 이는 고가의 비용이 소요되어 기존의 소규모 합병 정화조나 오ㆍ페수처리시설을 설치·운영하는 자에게는 자금 부담이 크게 작용하였으며 이러한 시설을 장기간 사용시 또는 산·알카리와 같은 약품 등에 의해 쇼크를 받으면 부착 미생물의 활성이 소멸되어 다시 코팅시켜야 하는 문제점이 있었다.

한편 미생물 균체나 효소의 고정화기술은 도면 1에 나타난 바와 같은 담체결합법, 가교법 또는 포괄법 등의 방법이 개발되어 알콜발효 등 생물공업분야에 적용되기도 하며, 여기에 쓰이는 담체의 재질은 표1에서와 같이 고정화방법에 따라 여러 가지가 있다. 즉 물리적 흡착방법에서는 주로 활성탄, 규조토, 카올린(kaolin), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 등이 쓰이고 이온결합을 이용한 담체결합시는 DEAE-셀룰로스(cellulose)나 CM-셀룰로스, 세파텍스(Sephadex) 등 고가의 불용성고분자수지가 사용된다.

[표 1] 고정화방법과 사용담체의 종류

담체결합법	물리적 흡착법	활성탄, 산성백토, 표백토, Kaolinite, polyacrylamide 수지 등의 담체에 흡착시켜 고체촉매화
	이온결합법	DEAE-Cellulose, CM-Cellulose 등의 이온교환체에 이온결합시켜 고체촉매화
	공유결합법	Diazo법 : (R-NH₂→R-N=NCI+E -→R-N=N-E)Dipeptide법 : (R-CON₃+E→R-CONH-E)Alkyl화법 : (R-O-C-CH₂BR+E→R-C-CH₂-E)∥ ∥O O
가교법		두 개의 관능기를 가진 시약을 사용하여 효소를 가교하여 고체촉매화(glutaraldehyde, bis-diazo-benzidine, 무수마레인산과 ethylen의 공유물 등이 이용된다)
포괄법	격자형	Polyacrylamide gel로 불용화, 또 녹말액에 녹여 urethan form에 넣어 gel화로 고체촉매화
포괄법	캡슐형	Collod ion막 등을 피막하여 고체촉매화

또한 포괄방식의 고정화 담체는 폴리아크릴아미드(polyacryamide), 규소수지 또는 폴리비닐(polyvinyl) 등이 사용되고 있으나 이들 중 규조토 또는 활성탄 등은 생물학적 오·폐수처리시설에 투입시 슬러지(Sludge)의 발생량을 증대시키는 요인이 되고 여기에서 사용되는 고분자수지들은 가격이 높을 뿐만 아니라 규조토의 경우와 같이 침전오니의 발생량을 증가시킨다.

특히 상기에서 사용되는 모든 담체들은 본 발명에서 목적하는 서방성 생분해성능이 없고, 발포성형에 의해 비중이 가벼운 과립 또는 스티로폴 형태의 격자형 제형을 제조할 수 없으며 미생물에 의해 완전한 분해·산화가 이루어지지 않아 오히려 방류수의 BOD와 COD를 상승시킬 위험이 있다.

본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하고 생물학적 오·폐수처리시설에 본 발명의 서방성 오ㆍ폐수 처리 종균제를 투입시 사용된 미생물이 처리 시스템 내에서 수주 내지 수개월간 체류하면서 폭기조 통기에 의한 와류를 따라 순환하며 서서히 활성미생물과 침전보조제 또는 벌킹방지제 등의 유지관리제 약품을 방출하여 오·폐수처리를 지속적으로 안정하게 유지·관리시키는데 목적이 있다. 이때 생분해되어 미생물 등과 함께 용출된 담체성분 즉 생분해성 지방족폴리에스테르수지는 식품원료에서 추출ㆍ제조한 무독성 천연지방족 고분자물질과 같은 구조를 갖은 고분자물질이므로 방출된 미생물의 영양급원(먹이)로 활용되어 최종적으로 이산화탄소와 물로 분해됨으로서 최종 방류수에 그 성분이 전혀 잔존하지 않아 2차오염 등의 부작용이 없다. 그 분해과정은 하기 표에 도시된 바와 같다.

[표 2] 생분해성 고분자수지의 생분해 과정도

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 설명한다.

도 1은 여러 가지 유형의 담체결합 모형도를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 생분해성 지방족폴리에스테르수지 담체에 내열성 균주를 결합시킨 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제의 전자현미경 사진을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 사용된 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제의 제조장치를 나타낸 것이다.

본 발명은 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) ATCC 6633을 생분해성 지방족폴리에스테르수지에 고정화시킨 서방성 오ㆍ폐수 처리 종균제 및 이의 제조방법을 제공한다.

[표 3] 서방성(생분해성) 고분자수지(담체)의 분자구조도

본 발명에 따른 생분해성 지방족폴리에스테르수지는 대한민국특허 제0123895호에 "생분해성 지방족 폴리에스테르 수지 조성물의 제조방법"으로 개시되어 있고, 대한민국특허 제10-0181673호에 "생분해성이 우수한 폴리에스테르 수지의 제조방법"으로 개시되어 있으며, 대한민국특허 제10-0257828호에 "물성이 우수한 폴리에스테르 복합수지의 제조방법 및 그 조성물"로 개시되어 있고, 대한민국공개특허공보 제1999-009593호에 "생분해성 공중합 폴리에스테르 수지 조성물 및 그 제조방법"으로 개시되어 있다.

본 발명에 따른 생분해성 지방족폴리에스테르수지는 주식회사 이래화학에서 제조하여 판매하고 있는 생분해성 지방족폴리에스테르수지(상품명: EnPol)를 구입하여 사용하였으며, 생분해성 지방족폴리에스테르수지 EnPol은 폴리부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트 또는 폴리부틸렌석시네이트-co-텔레프탈레이트로 이루어진 생분해성 지방족폴리에스테르수지이다.

본 발명의 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제를 제조하는 경우 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 도1에 도시되어 있는 균체의 고정화 방법인 담체결합법, 포괄법, 가교법 또는 마이크로캡슐법에 따라서 고정화시킬 수 있다.

본 발명에서 담체로 쓰이는 생분해성 지방족폴리에스테르수지는 발포, 혼합, 성형을 위해 1차로 80 내지 200℃까지 가열하여 한다. 이때 혼합되어지는 미생물의 균체는 순간적으로 고온에 접촉해야 하므로 사용 균주는 가능한 내열성 균주 또는 포자형태의 상태로 배양하여 첨가함이 바람직하다.

본 발명의 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제를 제조하는 경우 오ㆍ폐수의 생물학적 처리시 유용한 오ㆍ폐수관리제로서 고분자응집제, 침강보조제, 비중강화제, 영양제 및 PH조정제를 균질하게 혼합하여 첨가할 수 있다.

본 발명의 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제를 제조하는 제조장치는 통상의 플라스틱 압출성형을 응용하여 제조가 가능하나 오·폐수관리제의 첨가량, 첨가방법, 첨가시 온도, 속도 등을 고려한 장치의 보완이 필요하다.

본 발명에 따른 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제를 제조하기 위해서는 (가) 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) ATCC 6633을 황산망간 또는 황산아연 성분이 0.0001% 내지 0.001% 첨가된 액체배지 또는 상기 액체배지에 한천 1.5 내지 1.8%를 첨가한 고체배지에 접종하고 30∼37℃에서 24∼96시간 동안 배양시켜 포자를 형성시킨 후 탈수건조 또는 원심분리하여 균체와 포자를 회수하고 얻어진 균체에 규조토를 첨가하여 균질하게 혼합한 후 건조시켜 1g당 10¹⁰∼10¹¹개체수 이상을 함유한 원료균체분말 1 중량%를 제조한 다음 상기 원료균체분말을 도3 제조장치의 원료주입장치(F-3)에 충진시키는 단계: (나) 오ㆍ폐수의 생물학적 처리시 유용한 오ㆍ폐수처리 관리제로서 고분자응집제, 침강보조제, 비중강화제, 영양제 및 PH조정제를 균질하게 혼합한 오ㆍ폐수의 생물학적 처리시 유용한 오ㆍ폐수처리 관리제 29 내지 49 중량%를 제조하여 원료주입장치(F-2)에 충진시키는 단계: (다) 생분해성 지방족폴리에스테르수지 50 내지 70 중량%를 원료주입장치(F-1)에 충진시키는 단계: (라) 전원을 연결한 후 도3 제조장치에 표시된 실린더 1과 실린더 2의 온도를 80∼200℃로 조정하면서 상기 생분해성 지방족폴리에스테르수지를 실린더 1과 실린더 2로 통과시키는 단계: (마) 상기 생분해성 지방족폴리에스테르수지가 도3 제조장치에 표시된 3번 실린더를 통과할 때 원료주입장치(F-2)에 충진되어 있는 오ㆍ폐수처리 관리제를 주입하여 생분해성 지방족폴리에스테르수지와 결합시키면서실린더 내의 온도를 80∼120℃로 하향조절하는 단계: (바) 오ㆍ폐수 관리제가 결합된 생분해성 지방족폴리에스테르수지가 실린더 4 및 실린더 5를 통과할 때 온도를 60∼100℃로 조절하고 원료주입장치(F-3)의 미생물포자를 주입하여 최종적으로 온도를 50∼80℃로 한 후 아답터를 통과시킨 후 성형틀에 주입하여 성형시켜 제품 1g당 10⁸이상의 종균을 함유하고 비중 0.8∼1.2이고 pH 6.8∼8.5이며, 생분해성 지방족폴리에스테르수지 50∼70 중량%를 함유하는 오·폐수처리 종균제를 제조하는 단계를 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제를 제조하기 위해서는 (가) 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) ATCC 6633을 망간 또는 아연 성분이 함유된 고체 또는 액체의 영양배지에 접종하고 30∼37℃에서 24∼96시간 동안 배양시켜 포자를 형성시킨 후 탈수건조 또는 원심분리하여 균체와 포자를 회수하고 얻어진 균체에 규조토를 첨가하여 균질하게 혼합한 후 건조시켜 1g당 10¹⁰∼10¹¹개체수 이상을 함유한 원료균체분말 1 중량%를 제조한 다음 상기 원료균체분말을 도3 제조장치의 원료주입장치 (F-3)에 충진시키는 단계: (나) 드레인장치, 교반장치 및 온도조절장치가 구비된 호퍼형의 혼합장치에 생분해성 지방족 폴리에스테르수지 50 내지 70 중량%를 넣고 교반하면서 온도를 80∼200℃로 조절하여 상기 폴리에스테르수지를 충분히 용해시키는 단계: (다) 용해된 폴리에스테르수지를 계속 교반하면서 결정포도당: 고분자응집제, 침강보조제, 키토산, 비중강화제, 영양제 및 PH조정제를 포함하는 오ㆍ폐수처리 관리제의 조성비율이 1:1 내지 2:1비율로서 구성된 결정포도당과 오ㆍ폐수처리 관리제를 29 내지 49 중량% 서서히 첨가하여 폴리에스테르수지에 균질하게 포괄시켜 결합하도록 한 후 온도를 천천히 60 내지 80℃로 조절하는 단계: (라) 온도가 충분히 낮아지고 혼합물의 물성이 액상을 유지할 때 (가)단계에서 제조된 미생물 균체분말을 첨가한 후 신속히 혼합하고 교반하면서 드레인 장치를 통해 적당한 용량씩을 반출하여 성형시켜 미생물영양소와 침강보조제가 함유된 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제를 제조하는 단계를 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제는 오·폐수의 처리에 유용한 균주의 균체 또는 포자를 생분해성 지방족 폴리에스테르수지에 포괄 또는 담체결합시켜 분말팩형, 과립형 또는 고체덩어리 상태로 성형하여 제조할 수 있다.

실시예 1

내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) ATCC 6633을 이스트 추출물 0.25% 및 트립티케이스 0.1%로 이루어진 배양배지에 황산망간 및 황산아연 0.001% 함유된 액체배지에 한천 1.8%를 첨가한 고체의 영양배지에 접종하고 37℃에서 96시간 동안 배양시켜 포자를 형성시킨 후 15,000rpm에서 30분간 원심분리하여 균체와 포자를 회수한다. 얻어진 균체(배양액 1ℓ기준)를 규조토 1kg을 첨가하여 혼합한 후 건조시켜 균질화하여 1g당 10¹⁰내지 10¹¹개체수 이상을 함유한 원료균체분말 1㎏을 제조하여 도면 3 제조장치의 원료균체분말주입장치(F-3)에 충진시킨다.오·폐수의 생물학적 처리시 유용한 관리제로서 양이온성고분자응집제 1kg, 분말키토산 침강보조제 10kg, 점토 10kg 및 분말이스트 8kg을 균질하게 혼합한 오·폐수처리 관리제 29㎏을 제조하여 원료주입장치(F-2)에 충진시킨다. 생분해성 지방족폴리에스테르수지인 폴리부틸렌석시네이트-co-부틸렌아디페이트(주식회사 이래화학에서 제조하여 판매하고 있는 상품명: EnPol) 70㎏을 원료주입장치(F-1)에 충진한 후 전원을 연결한 다음 실린더 1과 2의 온도를 80℃에서 200℃로 승온 조정하면서 상기 생분해성 지방족폴리에스테르수지를 통과시킨다. 상기 생분해성 지방족폴리에스테르수지가 3번 실린더를 통과할 때 원료주입장치(F-2)에 보관된 오·폐수처리관리제를 실린더 3에 주입하여 상기 생분해성 지방족폴리에스테르수지와 결합시키면서 실린더 내의 온도를 80℃로 하향 조절한다. 오·폐수처리관리제와 혼합, 결합된 생분해성 지방족폴리에스테르수지가 실린더 4 및 실린더 5를 통과할 때 온도를 100℃로 조절하고 원료균체분말주입장치(F-3)에 보관되어 있는 미생물포자를 주입하여 최종적으로 온도를 80℃로 한 후 아답터를 통과시킨 후 성형틀에 주입하여 성형시켜 제품 1g당 10⁸이상의 종균을 함유하고 비중 0.8∼1.2이며, pH 6.8∼8.5이며, 생분해성 지방족폴리에스테르수지 70%를 함유하는 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제 100㎏을 제조하였다.

실시예 2

드레인 장치, 교반장치 및 온도조절장치가 구비된 호퍼형의 혼합장치에 생분해성 지방족폴리에스테르수지인 폴리부틸렌석시네이트-co-부틸렌아디페이트(주식회사 이래화학에서 제조하여 판매하고 있는 상품명: EnPol) 70㎏을 넣고 교반하면서 온도를 80℃에서 200℃로 승온 조절하여 생분해성 지방족폴리에스테르수지를 충분히 용해시킨다. 용해된 상기 생분해성 지방족폴리에스테르수지를 계속 교반하면서 결정포도당 20kg과 분말침강보조제 9㎏을 서서히 첨가하여 생분해성 지방족폴리에스테르수지에 결정포도당과 분말침강보조제가 균질하게 포괄, 결합하도록 한 후 온도를 천천히 80℃로 조절한다. 온도가 충분히 낮아지고 혼합물의 물성이 액상을 유지할 때 실시예1의 미생물 균말을 1㎏을 첨가한 후 신속히 혼합하고 교반하면서 드레인 장치를 통해 서서히 반출하여 성형시켜 미생물 영양소와 침강보조제가 함유된 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제 100㎏을 제조하였다.

생물학적 오·폐수처리시설에 본 발명에 따른 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제를 사용하는 경우 처리 시스템 내에서 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제에 함유되어 있는 미생물이 수주 내지 수개월간 체류하면서 폭기조 통기에 의한 와류를 따라 순환하며 서서히 활성미생물을 서서히 방출하며, 침전보조제, 벌킹방지제 등과 같은 오ㆍ폐수처리 관리제를 방출하여 오·폐수처리를 지속적으로 안정하게 유지·관리시키는데 효과가 있다. 이때 생분해되어 미생물 등과 함께 용출된 담체성분인 생분해성 지방족폴리에스테르수지는 식품원료에서 추출ㆍ제조한 무독성 천연지방족고분자물질과 같은 구조를 갖은 고분자물질이므로 방출된 미생물의 영양급원(먹이)로 활용되어 최종적으로 이산화탄소와 물로 분해됨으로서 최종 방류수에 그 성분이 전혀 잔존하지 않아 2차오염 등의 부작용이 없다. 또한 생분해성 지방족폴리에스테르수지가 결합되지 아니한 종래의 오ㆍ폐수처리 종균제는 모두 액상 또는 분말상의 제품으로서 이를 폭기조나 정화조에 투입하는 경우 3 내지 5일 이후에는 미생물 균주가 활성을 갖지 못하지만 본 발명의 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제는 이를 폭기조나 정화조에 투입하는 경우 생분해성 지방족폴리에스테르수지가 서서히 생분해되어 1 내지 2 개월 이상 미생물이 자라기 때문에 장기간 동안 오ㆍ폐수처리제로서 사용할 수 있는 매우 획기적인 발명이다.

Claims

내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 1 중량%를 폴리부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-부틸렌아디페이트, 폴리부틸렌석시네이트, 폴리부틸렌석시네이트-co-아디페이트 또는 폴리부틸렌석시네이트-co-텔레프탈레이트로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 생분해성 지방족폴리에스테르수지 50 내지 70 중량%에 고정화시킨 것을 특징으로 하는 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제.
제1항에 있어서, 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis)는 ATCC 6633인 것을 특징으로 하는 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제.
제1항에 있어서, 고분자응집제, 침강보조제, 비중강화제, 영양제 및 PH조정제를 포함하는 오ㆍ폐수처리 관리제 및 결정포도당을 각각 또는 함께 추가로 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제.
제1항에 있어서, 내열성 균주 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis)의 균체 또는 포자를 생분해성 지방족폴리에스테르수지에 고정화시켜 분말팩형, 과립형 또는 고체덩어리상태로 성형하여 제조하는 것을 특징으로 하는 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제.