KR100510590B1 - 유동상 미생물 담체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하.폐수의 생물학적 처리를 위하여 사용되는 유동상 미생물 담체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 단일 혹은 둘 이상의 혼합물로 비중이 0.95 내지1.05g/㎤, 더욱 바람직하게는 1.0 g/㎤이고 다수개의 셀로 구분되며 셀의 내.외부와 담체 외주면에 요철을 부여하여 표면적을 증가시키고 표면을 산화하여 담체표면의 친수성을 증대시켜 미생물의 담지효율을 향상시긴 플라스틱 지지체로 제조된 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 담체는 주로 플라스틱을 사출하는 사출성형, 프레스몰딩 등의 공지의 방법을 통하여 제조할 수있으며 주로 사출성형방법으로 제조하는 것이 더욱 경제적이며, 성형시 금형의 표면에 가로방향, 세로방향, 가로와 세로방향으로 요부를 형성하거나, 엠보싱을 주거나, 또는 사출 후 샌드브러스트 등의 방법을 이용하여 담체 표면을 마모시켜 표면적을 극대화하고, 담체의 테두리에 곡선을 주어 유동시 담체들간의 마찰에 의한 마모를 최소화 하고, 담체의 두께는 외부가 10m/m에서 중심부가 15m/m로 내곡선을 이루어 물과의 마찰을 최소화 하고 셀 내에 담지된 미생물이 유동하는 동안 박리되는 현상을 방지할 수 있고, 미생물 호흡에 필요한 산소전달이 용이한 구조의 담체 및 그의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

Description

유동상 미생물 담체 및 그 제조방법{Fluidized Bio Media and Its Preparation Method}

본 발명은 하.폐수의 생물학적 처리에 있어서 그 기능을 극대화 시킨 효율적인 유동상 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는, 폐수처리 과정에서 미생물을 담지하여 오염수와 반응하도록 반응조에 투입하는 생물막법에 사용되는 유동상 미생물 담체로서 미생물 부착 능력이 기존의 담체에 비하여 개선된 유동상 미생물 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은, 미생물의 부착이 용이하도록 친수성을 가지며, 유동시 담지된 미생물의 탈리현상이 적고, 유동하는 담체간의 마찰력이 최소가 되도록 디자인된 유동상 플라스틱담체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

현대는 산업화가 진행되면서 생활양식의 급변과 입구집중으로 다양한 오염이 발생하고 있으며, 이중 수질오염이 나날이 심각해지고 있어 인간의 식수뿐 아니라 농업.공업 용수의 수질 확보에도 악영향을 끼치고 있으므로 이를 효율적으로 처리하고자 하는 노력이 계속 되어져 오고 있다.

하.폐수 처리에 있어서 가장 보편화된 처리방법으로는 생물학적 처리방법을 사용하고 있으며, 생물학적 처리 방법은 폐수내에 있는 유기물 중에서 분해 가능한 유기물을 미생물을 이용하여 제거시키는 방법이다. 생물학적 처리방법에는 부유 미생물을 이용한 활성 오니법과 부착성 미생물을 활용하는 생물막법이 있다.

활성오니는 폐수에 충분한 산소를 공급하면서 교반하여 생성된 호기성 세균 및 미생물의 작용에 의하여 생성되는 것으로서 이렇게 생성된 미생물군은 폐수중의 용해성 및 부유성의 오염물질을 흡착한 후, 활성 오니의 증식에 따른 동화작용 및 유기물의 가스화인 이화작용을 거쳐 오염물질을 정화시킨다. 활성오니는 유기물이 대부분인 폐수를 식물로 섭취하여 탄산가스와 물 등의 안정된 무기물로 배출하여 폐수를 안성화 시키고, 침전지에서 활성오니가 침강을 하여 고액분리 작용을 한다. 그러나 활성오니법은 효율이 낮고 부하변동이 심한경우에 적합하지 않으며 또한 고농도처리에 적합하지 않는 등의 문제점이 있다.

생물막법은 기존의 부유 미생물을 이용한 활성오니법이 갖는 근본적인 취약점을 극복하고자 하는 것으로 고정상(fixed bed)과 유동상(fluidzed bed)공법으로 구분된다. 고정생물막법은 폭기조 내에 고정상의 여재를 충전하여 사용함으로서 미생물이 급증하여 충진재에 누적되는 단점이 있다. 누적물의 세정불량에 의해 수질악화와 악취가 발생하거나 역으로 세정이 과도하게 행해져 미생물이 유출되는 문제점이 있다. 또한 시설, 유지비가 고가이다. 반면에 유동상 생물막 담체는 반응조 내에 담체를 투입하는 것으로 설치가 간편하고 부지협소의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있어 이용이 증가하고 있다.

유동상 담체는 일반적으로 셀룰로오스 계통과 세라믹 계통, 합성 고분자계 등의 유기담체가 주로 사용되고 있으며, 이 중 합성 고분자계 담체가 저렴하고, 가공이 용이하므로 미생물을 고정화시키기 위한 연구가 계속 되어져 오고 있다.

고분자 담체의 경우 표면자유에너지가 작고 소수성이 강하며 중성영역에서 표면전하가 음성이므로 친수성이 강한 미생물이 상기 담체의 표면에 흡착 가능하도록 고분자 담체를 표면 처리하는 것이 필요하다.

따라서 본 발명에서는, 유동상 미생물 담체가 미생물 폭기조에서 정상적으로 유동상태가 유지되고, 비표면적이 커서 미생물의 부착농도가 높아야 하며, 매체의 표면이 친수성이고 정전기가 일어나지 않아 미생물의 초기부착이 빠르고, 유동정지 시 담체 간 부착이나 바닥 침전 또는 수위면 부위상태가 되어 재유동의 곤란이 있어서는 안되고, 반응조 내에서 와류형성의 경우에도 부착된 생물막의 탈리현상이 없는 플라스틱담체 및 그 담체의 제조방법을 제공하고자 하였다.

상기의 기술적 과제를 해결하기위하여 본 발명에서는, 상기에서와 같은 미생물 담체로서의 기능을 극대화 시킨 효율적인 유동상 담체 및 그 제조공정을 제공하고자 미생물에 독성이 없는 고분자 물질에 비중 조절제를 혼합하여 비중이 0.95 내지1.05g/㎤, 더욱 바람직하게는 1.0 g/㎤으로 맞추었으며,

또한 강산인 황산(H₂SO₄)과 중크롬산칼륨(KrCr₂O₇)용액으로 표면을 개질하여 친수성을 높이고 양전하로 대전하여 초기 미생물이 쉽게 부착될 수 있는 담체의 표면을 제공하였고,

또한 모양에 있어서 적당한 내곡선을 두어 담체끼리 또는 반응조와의 마찰을 최소화하여 담체의 마모를 최소화하고 내부에 셀을 나누어 표면적을 넓혔으며 요철을 부여하여 표면을 거칠게 제작함으로서 미생물이 부착하기에 가장 좋은 조건을 부여하였고,

또한 상기의 담체 제조하기 위한 사출성형이나 프레스몰딩성형 금형의 표면에 다양한 형태의 요철을 부여하거나 담체를 성형한 후 성형된 담체에 샌드브라스트 등과 같은 방법을 사용하여 요철을 부여하여 표면적을 크게 하고, 다양한 곡면형태를 담체에 부여하여 마찰력이나 물의 저항을 최소화하여 유동시 물의 전단응력으로부터 담지된 미생물의 탈 리가 없도록 하고,

아울러 담체의 두께를 최적화하여 담체 셀의 내부까지 산소가 잘 전달될 수 있도록 하여 미생물의 활성을 유지할 수 있는 구조를 가지는 유동상 미생물 담체를 개발하였다.

이하는, 본 발명에서 상기의 목적을 달성하기 위한 담지체의 구체적 구성을 설명한다.

담지체의 지지체로 사용되는 고분자 물질로는 압출이나 사출 등 어느 방법으로도 가공이 가능한 고분자 물질을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 미생물에 독성이 없는 열가소성 고분자로서, 예를 들어 폴리에틸텐(PE)이나 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀류, 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르류, 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 에폭시, 천연 또는 합성 고무 등이 단독 혹은 둘 이상 사용될 수 있고, 또는 세라믹 계통과 셀룰로오스 계통의 천연물질과 고분자 물질을 혼합하여 사용될 수 있다. 상기의 플라스틱재지중 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀류를 사용하는 것이, 그 재질의 화학적 안정성이나 가공의 용이성 등에서 더욱 좋다.

본 발명은 유동상 미생물 담체가 미생물 폭기조에서 정상적으로 유동상태가 유지되고, 유동정지 시 담체 간 부착이나 바닥 침전 또는 수위면 부위상태가 되어 재유동의 곤란이 있어서는 안되므로, 상기 고분자 물질들의 비중을 0.95내지 1.05g/㎤, 더욱 바람직하게는 1g/㎤이 되도록 조절하는 수단을 용하였다. 상기 플라스틱재질은 그 재질에 따라 비중이 다양하므로 그 재질에 따라 비중조절제를 첨가하여 비중을 0.95내지 1.05g/㎤, 더욱 바람직하게는 1g/㎤이 되도록 조절하였다. 비중 조절제로는 탈크, 석분, 제올라이트, 실리카겔, 세라믹, 황산바륨(BaSO₄), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 탄산칼슘(CaCO₃), 암모늄 카보네이트 및 암모늄 나이트레이트 등의 무기염류, 에틸렌 글리콜, 셀룰로오스, 녹말 등의 유기 분해제, 이소시아네이트와 같은 발포제 또는 경석, 황토 등이 첨가될 수 있으며 비중의 조절을 위해서는 그 첨가되는 비중조절제가 상기에 기재된 재질에만 국한되는 것은 아니다.

다음은, 본 발명에 따르는 담체의 형태를 구체적으로 설명한다. 본 발명의 담체는 비표면적이 커서 미생물의 부착농도가 높아야 하며, 반응조 내에서 와류형성의 경우에도 담체와 담체의 마찰력이 최소가 되고 유동하는 동안 물의 와류 등의 유동에 의해서나 담체와 담체의 마찰에 의해 부착된 생물막의 탈리현상이 없는 플라스틱담체이어야 하므로 특정의 형태를 가지는 것이 매우 중요하다. 이하에서는 본 발명에 따른 유동형 플라스틱담체의 모양을 도면을 참고로 하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 담체의 모양을 나타낸 정면도이다. 도 1에 도시한 담체는 원형으로서 내부에 다수의 격막에 의해 구획되는 셀을 구비하는데, 격막은 담체의 원형 형태와 동일한 제 1원형격막(1), 제 2원형격막(2), 제 3원형격막(3) 및 제 4원형격막(4)의 원형격막을 동일한 거리로 이격되게 형성하고, 담체의 중심으로부터 방사상으로 뻗어있는 제 1방사형격막(5), 제 2방사형격막(6) 및 제 3방사형격막(7)을 역시 동일한 각도로 이격시켜 구성되어, 중심에서 4등분하여 각 섹션(section)마다 부채꼴 모양을 하며 셀(8)을 나누는데, 외부로 갈수록 셀의 개수가 두 배로 증가하는 구조를 갖도록 설계한다. 따라서, 담체는 각각의 격막에 의해 각각의 셀(8)을 형성하여, 유동시 담체와 담체, 담체와 반응기의 벽면, 담체와 교반임펠러 등의 충돌에 의한 기계적 강도를 부여하여 파손 등이 발생하지 않도록 한다. 도 1에서는 4개의 원형격막과 3개의 방사형격막으로 구성되어 있지만, 필요에 의해서 도 1과 같은 형태의 원형격막과 방사형격막의 수를 변경하여 설계할 수 있다.

또한 상기와 같은 형태의 담체에 표면적을 크게 하기 위하여 모든 담체의 원형격막의 내주연과 외주연 및 방사형격막의 좌우측면에 종방향으로 요철형태의 돌기(9)가 형성되도록 하였다. 요철형태의 돌기는 다양한 형태로 형성시킬 수 있는 데 예를 들면 삼각형(도 4), 사각형, 둥근형(도 3), 마름모형태 등등 필요에 의해 변경시킬 수 있고, 이러한 요철형태의 돌기는 담체의 성형시 금형의 표면에 돌기가 형성되도록 설계함으로써 용이하게 형성하게 할 수 있으며, 돌기의 크기는 통상의 금형설계에서 허용하는 범위내에서 자유로이 선택하여 형성시킬 수 있다. 도 1에서는 요철형태의 돌기(9)를 종방향으로 형성시킨 예를 보여주고 있지만, 금형표면의 에칭에 의한 산화방법이나 금형 표면의 다양한 요철모양을 제공하거나, 또는 담체를 성형한후 그 표면을 샌드브라스트 하는 방법 등의 공지의 방법에 의해 다양한 모양을 부여할 수 있음은 잘 알 수 있는 것이다.

도 2는 본 발명에 따르는 담체의 측면도를 도시한 것이다. 도 2에서 보듯이, 본 발명의 담체는 종방향과 횡방향의 길이를 가지며, 횡방향과 종방향의 길이는 필요에 의해 용이하게 변경하여 사용할 수 있다. 횡방향의 길이(b)를 종방향 길이(a1~a4)의 3 내지 6배 정도의 길이로 하는 것이 더욱 경제적으로 제작할 수 있다. 또한 종방향의 길이에 있어서도, 내곡선을 부여하여 원형 중심부의 종방향 길이(a1)가 원형의 주변부 종방향의 길이(a4)보다 길게하여 유동매체의 저항을 최소화하고, 물의 전단력에 의해 미생물막의 탈리를 방지하는 구조를 채택하였다. 통상적으로 중심부의 종방향의 길이는 주변부 종방향 길이의 1.3배 내지 1.8배 정도로 하고, 더욱 좋게는 1,5배로 하는 것이 상기의 성질의 부여하는 점에서 가장 좋다.

본 도 1 내지 도 4는 하나의 예시로서 횡방향의 길이가 65mm이고 종방향의 외부길이가 10mm 이며, 종방향의 중심부의 길이가 15mm인 담체의 예를 도시하고 있는 것이나, 본 발명에서는 상기의 길이는 상기에서 언급한 길이의 범주내에서 필요에 의해 용이하게 변경할 수 있다. 그러나, 종방향의 방사상 외부길이가 20mm이상의 경우는 그 두께로 인하여 셀내부까지 산소가 투과되지 않아 미생물막의 형성이 잘 되지 않으므로 20mm를 넘지 않는 것이 좋다.

도 2에서는 또한 담체의 제 4원형격막(4)에 해당하는 최외주면의 테두리부분은 담체간의 마찰 또는 담체와 반응조의 마찰로 인하여 담체의 표면이 마모되는 것을 방지하기 위하여 부드럽게 원형으로 처리하여 충돌과 같은 마찰에 의한 파손을 방지하는 구성을 채택하고 있다.

상기의 형태로 제작한 담체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 등의 플라스틱재질로 제작하므로, 상기의 플라스틱은 비친수성이거나 또는 친수성의 특성이 미생물이 단기간에 용이하게 부착할 수 있을 정도로 친수성을 가지지 못하므로, 표면을 개질하여 친수성표면을 부여하여 준다. 본 발명에서 친수성을 부여하는 수단은 코로나 방전에 의한 표면산화방법, 친수성성분의 코팅, 산화제에 의한 표면산화 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 시판되는 98%의 농황산(H₂SO₄)과 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 및 물을 혼합한 혼합용액을 이용하여 담체의 표면에 친수성을 부여하여 초기미생물의 부착을 촉진하도록 하였다. 혼합용액의 조성비는 표면의 친수성을 부여할 수 있다면 어떠한 조성비로 하여도 무방하지만, 표면개질의 효율을 위해서 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇)이 전체 혼합용액의 2 내지 7중량%, 물은 5 내지 15중량%를 사용하고 나머지는 농황산을 사용하여 제조하는 것이 가장 적절한 시간에 표면을 개질 시킬 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다, 하기의 실시예는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 것으로서, 본 발명이 상기에 기재한 본 발명의 구성을 채택하고 있는한 그 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은, 재질이 폴리에틸렌에 필러로 칼슘카보네이트를 부가하여 비중이 1.0g/㎤로 조절하고, 크기가 횡방향으로 67mm, 중심종방향이 15mm, 외부종방향이 10mm이며, 종방향으로 0.6mm의 간격으로 돌기를 형성하고 있는 담체를 제작한 후, 진한황산 혼합용액(98% 농황산 88.5w/w% : K₂Cr₂O₇ 4.4w/w% : 물7.1w/w%)에 7분간 담근 후 수세를 3회하고 건조하여 최종 담체를 제작하였다.

상기 담체를 pilot 반응조(폭기조용량:30L , 용존산소:1.5ppm)에 대구시 서구 이현동의 삼광염직 지역의 하수처리장의 원수( 평균BOD: 600ppm)를 20L 투입한후 볼륨이 5ℓ상승하도록 상기의 담체를 투입(충진율 25%) 하고, 20ℓ/1일 로 상기의 원수를 지속적으로 공급하면서 시간에 따르는 BOD를 측정하였다. 그 결과를 표1에 기재하였다.

<실시예 2>

상기 실시예에서 표면산화를 하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하였다. 그 결과는 표 1에 기재하였다.

<비교예 1>

상기 실시예에서 표면돌기를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하였다. 그 결과는 표 1에 기재하였다.

<비교예 2>

일반 부유미생물활성오니법으로 실시한 것으로 그 결과는 표 1에 기재하였다.

표 1.

상기 표에서 보듯이 본 발명에 따른 담체가 매우 우수한 폐수처리 효과가 있음을 알 수 있다.

이상으로 살펴본 바와 같이 유동상 미생물을 담체를 사용하여 기존의 폭기조에 적용 할 경우 처리용량을 수배이상 증가시킬 수 있으며 부유 미생물의 활성오니법에 비해서 투자비 및 운전비를 1/3이하로 줄일 수 있고 질소, 인을 비롯한 고농도 유기 하·폐수처리가 가능하다

또한 순수한 국내 기술로서 담체 가격 경쟁력과 효율이 뛰어나므로 외국 기술 수입대체 및 수출효과가 있다.

또한 고분자 담체를 표면처리 하여 미생물의 흡착이 용이하고, 담체 내 다수개의 셀을 나누고 각각의 셀의 내.외부와 담체 외주부에 두께방향의 요철을 주어 표면적을 향상하여 보다 많은 미생물의 흡착을 가능하게 하였다.

또한 담체에 내곡선을 주어 물에 의한 마찰력을 최소화 하고 미생물이 박리되는 것을 방지하였으며, 테두리 부분에 굴곡을 주어 담체간의 마찰 또는 담체와 반응조의 마찰 시 담체가 마모되는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 담체의 정면도

도 2는 본 발명에 따른 담체의 측면도

도 3는 본 발명에 따른 삼각형의 돌기를 가지는 담체의 사시도

도 4는 본 발명에 따른 원형의 돌기를 가지는 담체의 사시도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1. 제 1원형격막 2. 제 2원형격막 3. 제 3원형격막

4. 제 4원형격막 5. 제 1방사형격막 6. 제 2방사형격막

7. 제 3방사형격막 8. 셀 9. 돌기

Claims (8)

1. 유동상 미생물 담체에 있어서, 다수의 원형격막과 다수의 방사형격막으로 내부에 다수의 셀(8)을 형성하고, 각 셀의 내외부 표면은 요철형태의 돌기(9)를 가지며, 중심부분의 종방향의 길이(a1)가 주변부의 종방향 길이(a4)의 1.3 내지 1.8배이며, 비중이 0.95 내지 1.05g/㎤ 인 친수성을 갖는 유동상 플라스틱 미생물 담체.
2. 제 1항에 있어서,

   다수의 원형격막은 일정간격으로 이격되어 형성되고, 다수의 방사형격막은 일정 각으로 방사상으로 이격되어 각각의 셀(8)을 형성하며, 제 2층셀부터는 새로운 일정각 이격되어 형성되는 방사형격막에 의해 4각 부채꼴형상을 하며, 외부로 갈수록 부채꼴 셀의 갯수가 두 배로 증가하는 구조인 친수성을 갖는 유동상 플라스틱 미생물 담체.
3. 제 2항에 있어서,

   플라스틱은 폴리에틸텐(PE)이나 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀류, 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리에스테르류, 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA),셀룰로오스 계통의 천연물질이 단독 또는 2종이상 혼합하여 사용하는 친수성을 갖는 유동상 플라스틱 미생물 담체.
4. 제 3항에 있어서,

   담체는 상기의 플라스틱과 탈크, 석분, 제올라이트, 실리카겔, 세라믹, 황산바륨(BaSO₄), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 탄산칼슘(CaCO₃), 카보네이트 및 암모늄 나이트레이트 등의 무기염류, 셀룰로오스, 녹말 등의 유기 분해제, 이소시아네이트와 같은 발포제 또는 경석이나 황토와 같은 비중조절제를 혼합하여 사용되는 친수성을 갖는 유동상 플라스틱 미생물 담체.
5. 제 4항에 있어서,

   담체의 비중이 1.0g/㎤ 이고, 주변부의 종방향길이(a4)가 7㎜ 내지 13㎜인 친수성을 갖는 유동상 플라스틱 미생물 담체
6. 제 1항 내지 제5항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,

   상기 친수성은 담체의 표면을 황산(H₂SO₄)과 중크롬산칼륨(KrCr₂O₇)의 혼합수용액으로 처리하여 초기 미생물이 쉽게 부착될 수 있도록 한 것임을 특징으로 하는 친수성을 갖는 유동상 플라스틱 미생물 담체.
7. 제 6항에 있어서,

   담체의 최외주면의 테두리부분을 부드럽게 원형으로 하여 충돌에 의한 마찰을 최소화 하도록 하는 구조를 가지는 친수성을 갖는 유동상 미생물 플라스틱 담체.
8. 플라스틱원료와 비중조절제를 혼합하여 비중이 0.95 내지 1.05g/㎤로 조절하는 단계;

   상기 원료를 사출 또는 프레스몰딩하여 플라스틱 담체를 성형하는 단계;

   성형한 플라스틱 담체의 표면을 진한황산과 중크롬산칼륨과의 혼합수용액으로 처리하여 표면을 개질하는 단계;

   상기 표면개질 담체를 수세하고 건조하는 단계를 가지는 친수성을 갖는 유동상 플라스틱 담체를 제조하는 방법.