KR100467758B1 - 미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재 - Google Patents

Abstract

생물학적 폐수처리에 이용되는 미생물을 고정시켜 폐수처리시설에 설치하는 미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재가 개시된다.

그 구성은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 나일론으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로부터 얻어지는 1종 이상의 모노 필라멘트에 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜 또는 초산셀룰로오스 겔을 이용해서 미생물을 고정시키고 상기 미생물이 고정된 모노 필라멘트를 길이 방향으로 여러번 굴곡시켜 소정의 형태로 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 섬유상 접촉재에 따르면 폐수처리 속도의 증가 및 수리학적 체류시간을 짧게 할 수 있어 생물 반응조의 크기를 감소시킴으로써 경제적인 장점이 있고, 아울러 나선형 형태로 접촉재를 제조함으로써 공기나 물의 흐름에 의해 계속적인 유동이 발생되어 폐수처리 속도의 증가 및 미생물이 접촉재에 부착될 경우 얇고 일정한 두께를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재{Fiber aggregate for wastewater treatment}

본 발명은 생물학적으로 폐수를 처리하는데 이용하는 미생물을 섬유집합체에 고정시킨 폐수처리용 미생물 접촉재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 폐수처리용 미생물 접촉재에 따르면 폐수를 생물학적으로 처리 시 체류시간이 짧아지고 반응조의 크기를 감소시킴으로써 유기물, 질소 및 인을 효율적으로 제거할 수 있다.

일반적으로 호수나 하천의 오염과 부영양화 및 해수의 적조 현상을 유발시키는 것은 수중의 유기물, 질소 및 인의 농도가 높기 때문이다. 그 중 유기물은 많은 처리 방법이 개발되었지만 질소 성분은 도시하수 및 축산폐수에 있어서 농도가 높고 이에 대한 처리 방법은 현재 활발히 연구중에 있다.

지향해야 할 공통적인 목표는 처리 효율의 증대와 건설비의 저렴화이다.

본 발명은 생물학적으로 활성인 미생물을 폐수처리에 이용하는 것과 관련하여 폐수처리시설에 설치하는 미생물 고정재에 대한 것이다.

수중의 질소 성분은 암모니아성 질소가 약 60%를 차지하며, 이 암모니아성 질소를 제거하기 위한 생물학적 방법은 두 과정으로 구분되어 지는데, 1) 암모니아성 질소에서 질산성질소로 전환되는 질산화 과정과 2) 질산성질소로부터 질소가스로 전환되는 탈질 과정으로 구분된다.

상기 두 과정은 미생물의 성상에 따라서 효율상 차이가 나타나는데, 질산화 과정은 암모니아성 질소를 에너지원으로 이용하는 질산화미생물이 많이 존재할 때, 탈질 과정은 유기물을 에너지원으로 이용하는 탈질미생물이 많이 존재할 때 최대의 효과를 얻을 수 있다. 여기서 질소제거는 성장속도가 느린 질산화미생물의 생체량에 좌우되는데 질산화미생물은 성장속도가 매우 느리므로 호기성 조건의 활성슬러지법에 사용하기에는 많은 어려움이 따른다.

따라서, 질소제거를 위해서 생물막 또는 담체를 이용한 질소제거 시스템이 선호되고 있다. 그러나 질산화미생물의 부착을 위해서는 초기 기간이 매우 길다는 것과 수 많은 종류의 전자전달자 및 유기 탄소원이 오·폐수 내에 존재하는데, 이 유기 탄소원을 이용하는 미생물은 빠르게 성장함에 비해 질산화미생물은 그 보다 느리게 성장하므로 경쟁에서 쉽게 도태되어 문제점으로 지적되고 있다.

이에 대한 대안으로 제시되는 방법 중의 하나가 미생물 고정화 방법을 이용한 폐수처리로서 생물막 공법이 널리 사용되고 있다.

이러한 생물막 공정은 미생물을 부착할 수 있는 적절한 담체에 부착시켜 처리하는 공법으로 활성슬러지 공법에서 가장 문제가 되는 고체/액체분리 문제를 해결할 수 있고 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time; HRT)에 관계없이 긴 고형물 체류시간(Solid Rentention Time; SRT)을 유지시킬 수 있어 최근 여러 가지 형태의 오·폐수처리에 널리 사용되고 있다.

그러나, 생물막은 미생물이 담체의 표면에 부착해서 성장하는 자연적인 현상을 이용한 공법으로 생물막 형성까지 상당히 긴 시간이 소요된다는 단점을 가지고 있다. 또한, 부유성장형 반응조와 마찬가지로 반응조 내에 보유되는 미생물의 종류는 인위적인 선택이 불가능하며 생물막의 두께 또한 조절이 불가능하여 공정의 불안정이나 처리대상 기질의 종류에 따라 생물막이 탈리되거나 매우 얇은 생물막이 형성되는 등 안정된 운전이 상당히 어렵다.

이러한 생물막 공정 대신 원하는 종류의 미생물을 원하는 양만큼 겔 매트릭스(gel matrix)내에 포획시켜 처리하는 새로운 형태의 처리방법이 최근 들어 사용되고 있다. 여기에 사용되는 겔 매트릭스는 아가(argar), 케이-카라기난(k-carrageenan), 알기네이트(alginate)와 같은 자연 겔(natural gel)이다. 이러한 자연 겔은 천연물질이므로 포획과정에서 포획되는 미생물의 활성을 저해시키지 않고 포획할 수 있다는 장점은 있으나 기계적 강도 등이 약하여 폐수처리 반응조 등에서는 사용이 불가능하다.

오·폐수처리에 이용하기 위해서는 격렬한 혼합과 폭기등이 일어나는 반응조 조건내에서 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가진 담체가 요구된다.

따라서 본 발명은 생물학적 폐수처리 미생물을 가는 섬유상의 집합체에 인조합성 겔을 이용하여 고정시켜 생물 반응조에 고농도의 미생물을 유지시킬 수 있으므로 폐수처리 속도를 크게 증가시킬 수 있고 생물 반응조의 크기를 감소시켜 건설비를 줄일 수 있는 폐수처리 미생물이 고정된 섬유상 접촉재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 사용상태를 도시한 요부 개략도.

상기의 목적은 섬유형성능 고분자재료부터 얻어지는 가늘고 긴 섬유(모노 필라멘트: mono filament)에 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜 또는 초산셀룰로오스 겔을 이용해서 미생물을 고정시키고, 이 미생물이 고정된 모노 필라멘트를 길이방향으로 정렬 집합시켜 소정의 형태로 형성한 것을 특징으로 하는 폐수처리용 미생물 접촉재를 제공하는 것에 의해 달성된다.

즉, 섬유형성능 고분자재료부터 가늘고 긴 한 가닥의 섬유상의 물질(mono filament)을 얻고 여기에 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜 또는 초산셀룰로오스와 같은 인조합성 겔을 이용하여 활성 미생물을 고정시켜 이 미생물이 고정된 필라멘트를 일정한 길이를 갖도록 길이 방향으로 적당히 굴곡시켜 섬유집합체로 하여 이를 폐수처리시설에 사용하는 것이다.

상기 섬유형성능 고분자재료는 일반적으로 용융상태의 고분자재료로부터 방사(spinning)과정을 통해 가늘고 긴 섬유상의 물질로 변화될 수 있는 고분자재료라면 특별히 한정하지 않으나 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 나일론 등이 있다.

본 발명의 섬유상 집합체는 이들 섬유형성능 고분자재료로부터 얻어지는 섬유에 미생물을 고정시켜 이를 불규칙적으로 얽어 맨 것이 아니라 비교적 규칙적으로 여러번 굴곡시켜 개개 섬유의 표면적을 극대화하고 이를 소정의 형태로 한 것이다.

다른 관점에서 본 발명은 생물학적 폐수처리에 이용되는 미생물을 고정시켜 폐수처리시설에 설치하는 폐수처리용 미생물 접촉재로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 나일론으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로부터 얻어지는 1종 이상의 모노 필라멘트에 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜 또는 초산셀룰로오스 겔을 이용해서 미생물을 고정시키고 상기 미생물이 고정된 모노 필라멘트를 길이 방향으로 여러번 굴곡하여 집합시켜 섬유상 집합체를 형성하고 이 섬유상 집합체의 양단을 비틀어 나선형의 형태로 한 것을 특징으로 한다.

섬유상 집합체이 형상을 나선형으로 한정하는 것은, 일반적으로 미생물 접촉재는 폐수처리시설에서 폐수가 흐르는 방향과 평행하게 설치되는데, 미생물 접촉재의 형태를 나선형으로 하는 것이 흐르는 물에 의해 유동하기 쉽고 따라서 섬유상 미생물 접촉재에 고정된 미생물이 일정 정도 탈락되어 일정 두께를 유지할 수 있게되기 때문이다.

상기와 같은 사상에 기초하여 본 발명의 섬유상 집합체는 나선형의 틀을 형성하고 여기에 미생물이 고정된 섬유를 이용하여 형성한 천 형태의 미생물 천을 덮어 씌워서 형성되게 할 수도 있다.

여기서 상기의 틀은 그 내부와 외부가 서로 통하여 물질이동이 있게 할 수도 있고, 그 내부와 외부가 서로 통하지 않도록 하게 할 수도 있다.

이하 상기와 같은 기술적 사상에 입각하여 본 발명의 폐수처리용 미생물 접촉재를 구체화한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하면서 설명하기로 한다.

이하의 설명에서, 본 발명의 보다 철저한 이해를 위해 도면을 통한 설명이 추가되나 본 발명이 이들 도면에 따른 상세한 설명이 없이도 실시될 수도 있다는 사실이 당업자에게 명백할 것이다.

경우에 따라서는, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐리게 할 수 있는 공지된 특징부들에 대해서는 부호의 첨가와 그 설명을 생략하였고 잘 알려진 요소들은 블록 형태로 도시되었다. 이것은 본 발명의 개시를 불필요하게 애매하게 하는 것을 피하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 미생물을 고정시킨 섬유상 접촉재의 사용상태를 도시한 도면이다.

도면 중 도면부호 1은 미생물이 고정된 모노 필라멘트를 삼각막대(4)의 밑변에 길이방향으로 여러번 굴곡시킨 섬유상 집합체로서 어느 정도 규칙적으로 길이방향으로 접혀진 형태이나 여기에 한정되지 않고 도면에 도시되지는 않았지만 상기 섬유상 집합체(1)의 양단을 비틀어서 나선형의 형태로 할 수도 있다.

또한 나선형의 틀을 형성하고 여기에 미생물이 고정된 섬유를 이용하여 형성한 천 형태의 미생물 천을 덮어 씌워서 형성되게 할 수도 있다.

나선형 형태의 장점에 대해서는 앞서 설명한 바와 같다.

도면부호 2는 지지대로서 폐수처리시설에 설치시 벽 등에 고정시키기 위한 부재이다. 또한 도면부호 4는 삼각막대로서 밑변에 필라멘트를 굴곡 감아서 섬유상 집합체(1)의 형태를 유지시켜 주고 스프링(3)의 말단 고리에 연결된다.

여기서 스프링(3)을 개재시키는 이유는 접촉재(1)가 공기나 물의 흐름에 의해 계속적으로 유동할 수 있도록 하기 위함이다.

이하, 본 발명의 미생물이 고정된 섬유상 접촉재의 실시예를 설명한다.

(미생물의 배양)

생물학적 폐수처리 미생물은 일반적인 하수처리장의 활성슬러지를 이용하였다.

질산화미생물을 이용하기 위해 생물 반응기에 질소에너지원으로 암모니아를 이용하였고 알칼리도 공급원 및 기타 영양물질을 공급하는 합성폐수를 제조하여 약 40∼50일 운영함으로써 미생물을 배양시킬 수 있었다.

유입수인 합성폐수는 질소에너지원으로 염화암모늄(NH4Cl)을 이용하였고 알칼리도 공급원으로서 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 미량 영양원으로 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 철(Fe), 인산염을 사용하여 제조하였다.

또한, 생물반응기의 운영은 성장이 느린 질산화미생물에 있어서 수리학적 체류시간(HRT: Hydraulic Residence Time)을 약 2일로 하고 반응조 온도를 25±2℃ 범위에서 호기성 조건인 용존산소(DO: Dissolved Oxygen) 2∼4mg/L로 유지하며 연속식으로 운영하였다.

(미생물의 고정)

상기와 같이 배양된 폐수처리 미생물(질산화미생물)을 약 30%의 폴리비닐알콜(PVA: Polyvinyl alchol) 수용액이 1:1의 부피비로 혼합된 혼합용액에 모노 필라멘트(폴리프로필렌 필라멘트)를 담그어 미생물을 실에 고정시켰다.

그 후 미생물이 고정된 실을 포화붕산용액(Saturated boric acid solution)속에서 23∼25시간 담그어 고정화 미생물을 성형시켰다. 이는 PVA와 Boric acid의 화학반응에 의해 미생물이 포획되어 소성되는 과정이다.(PVA-Boric acid법)

미생물을 고정화 시키는 여러가지 방법 중 PVA-Boric acid법을 사용한 이유는 미생물을 고정시키는 다른 여러 가지의 방법에 비하여 고정화에 사용되는 폴리비닐알콜의 가격이이 저렴하며, 폴리비닐알콜에 의하여 고정화된 미생물이 비교적 강한 기계적 강도를 가지게 되어, 고정화 미생물이 생물반응기 내부에서 각종 충돌로 고정화 미생물의 파손이 비교적 적게 발생하기 때문이다.

또한 포화붕산용액 외의 다른 방법은 상당한 전기에너지가 소모되므로, 이러한 단점을 보완하기 위해서 폴리비닐알콜을 포화붕산용액에 적하시킴으로써 빠르게 고분자화시킬 수 있다.

상기의 고정화 단계에서 고정화 미생물의 성형이 완료된 후, 고정화 미생물 표면의 붕산(Boric acid)을 제거시키기 위하여 증류수로 세척하여 여러 형태의 접촉재를 제조할 수 있는 미생물이 고정된 섬유를 얻을 수 있었다.

상기에서 제조된 겔(gel) 형태로 고정된 미생물은 가는 섬유상으로서 나선형 형태 또는 여러 형태의 접촉재로 제조 가능 하여 단위면적당 고농도로 미생물을 농축할 수 있고, 폐수처리 속도의 증가 및 수리학적 체류시간을 짧게 할 수 있어 생물 반응조의 크기를 감소시킴으로써 경제적인 장점이 있고, 아울러 나선형 형태로 접촉재를 제조함으로써 공기나 물의 흐름에 의해 계속적인 유동이 발생되어 폐수처리 속도의 증가 및 미생물이 접촉재에 부착될 경우 얇고 일정한 두께를 유지할 수 있는 효과가 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재는 가는 섬유마다 PVA를 이용하여 미생물을 고정화시키고 이를 이용하여 나선형 또는 여러 형태의 접촉재를 제조함으로써 다른 방법에 의해 제조된 고정화 미생물 접촉재에 비해 단위 비표면적당 고농도의 미생물을 고정화시킬 수 있다.따라서 비교적 강도를 지닌 PVA를 이용하고 저렴한 성형방법인 붕산(Boric acid)용액을 이용함으로써 저렴한 제조 단가 및 고농도의 미생물을 고정화시켜 생물학적 처리 공정에 적용함으로써 저렴한 비용으로 폐수제거 효율을 크게 향상시킬 수 있고 생물 반응조의 크기를 감소시킬 수 있어 건설비를 절감할 수 있다.

특히, 질소 제거에 있어서 질산화 반응은 매우 느리므로 질산화미생물을 배양시켜 접촉재에 부착시키므로써 질산화 속도를 크게 향상시킬 수 있으며 또한, 나선형 형태로 섬유상 접촉재를 제조함으로써 공기나 물의 흐름에 의해 계속적인 유동이 발생되어 폐수처리 속도의 증가 및 미생물이 접촉재에 부착될 경우, 얇고 일정한 두께를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 생물학적 폐수처리에 이용되는 미생물을 고정시켜 폐수처리시설에 설치하는 폐수처리용 미생물 접촉재로서,

   폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 나일론으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로부터 얻어지는 1종 이상의 모노 필라멘트에 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜 또는 초산셀룰로오스 겔을 이용해서 미생물을 고정시키고 상기 미생물이 고정된 모노 필라멘트를 길이 방향으로 여러번 굴곡하여 집합시켜 섬유상 집합체를 형성하고 이 섬유상 집합체의 양단을 비틀어 나선형의 형태로 한 것을 특징으로 하는 미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재.
3. 생물학적 폐수처리에 이용되는 미생물을 고정시켜 폐수처리시설에 설치하는 미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재로서,

   폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 나일론으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로부터 얻어지는 1종 이상의 모노 필라멘트에 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜 또는 초산셀룰로오스 겔을 이용해서 미생물을 고정시키고 상기 미생물이 고정된 모노 필라멘트를 제직하여 형성한 미생물 천을 길이방향으로 나선형의 형상을 구비하는 틀에 덮어 씌어서 되는 것을 특징으로 하는 미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재.
4. 청구항 2항 내지 청구항 3항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리비닐알콜-붕산법을 이용하여 상기 모노 필라멘트에 미생물을 고정시키는 것을 특징으로 하는 미생물이 고정된 폐수처리용 섬유상 접촉재.