KR100632386B1 - 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체, 그 제조 방법 및 이를 이용한 생물학적 오/폐수 처리와 악취가스의 생물학적 여과 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체, 그 제조 방법 및 이를 이용한 생물학적 오/폐수 처리와 악취가스의 생물학적 여과(biofiltering) 방법에 관한 것으로, 비중이 1.0 이하인 고분자에 상기 고분자에 잘 용해되지 않고 비중이 1.0 이상인 고분자 물질을 일정 비율로 혼합하여 비중 범위를 0.96 내지 1.0으로 하여 압출성형하므로, 표면이 거칠어 미생물을 고농도로 부착하기가 용이하며 반응조에서 유동성인 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체 및 그 제조방법을 제공한다. 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체 및 그 제조 방법은 담체 표면의 거칠기가 크고 특정의 비중을 가지므로 생물이 보다 쉽게 부착 성장하면서도 생물막의 두께가 항상 얇게 유지되고 슬러지 발생량이 적으며 침강성이 개선된 담체를 제공하고, 또한 상기 담체를 이용하여 용이하고 효율적으로 오/폐수 및 악취가스를 생물학적 처리할 수 있게 한다.

담체, 미생물막, 오/폐수, 악취가스, 생물학적 처리, 유동상 반응기, 고정상 반응기

Description

고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체, 그 제조 방법 및 이를 이용한 생물학적 오/폐수 처리와 악취가스의 생물학적 여과 방법 {DENSITY-CONTROLLED BIOFILM CARRIERS USING POLYMER COMPOSITES, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND METHODS OF TREATING SEWAGE/WASTEWATER AND OF BIOFILTERING ODOR GASES USING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 복합 고분자 재료로 된 미생물막 담체의 표면 현미경 확대 사진이다.

본 발명은 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체, 그 제조 방법 및 이를 이용한 생물학적 오/폐수 처리와 악취가스의 생물학적 여과(biofiltering) 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 생물학적 오/폐수 처리용 생물막 반응기 및 악취가스 처리용 생물학적 여과 반응기에 사용되는 생물막이 부착된 담체를 제조함에 있어서, 값이 저렴하고 또한 고 표면적으로 압출 성형이 용이한 비중 1.0 이하의 단일 또는 복합 고분자에 비중이 1.0 보다 높은 단일 또는 복합 고분자를 물리적으로 혼합하여 최종 비중이 0.96 이상 1.0 이하로 조절된 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체, 그 제조 방법 및 이를 이용한 생물학적 오/폐수 처리와 악취가스의 생물학적 여과(biofiltering) 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 종래에 알려진 생물학적 오/폐수 처리 방법으로는 크게 활성슬러지 공법과 생물막 공법으로 나눌 수 있는데, 최근에는 고효율/고성능 운전이 가능한 생물막 공법이 많이 사용되고 있는 실정이다.

이러한 상기 생물막 공법은 통상 미생물이 담체에 고농도로 부착되어 있어 오염물질에 대한 제거효율이 우수하며, 담체 내에 저 증식 속도 미생물을 보존할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 상기 생물막 공법은 안정된 생태계와 미소동물의 적절한 분포를 가지게 하며, 슬러지 팽화 현상을 방지할 수 있고 고/저농도 부하에도 모두 안정한 제거효율을 보이는 반면, 슬러지 발생량이 적으며 반응기를 소형화할 수 있는 장점도 있다.

상기와 같이 종래의 생물막 공법에 있어서는 특히 담체 내에 미생물이 고농도로 부착할 수 있는 담체를 제공하므로 오염물질의 제거효율을 보다 우수하게 할 수 있다.

따라서, 이러한 특성을 가지는 담체의 재질에 대해 많은 연구가 수행된 결과, 이러한 생물막 공법에 우수하게 사용될 수 있는 여러 종류의 미생물 담체가 제안되었는데, 이를 재질에 따라 나누면, 고분자계, 세라믹계 또는 활성탄계 담체로 대별된다.

그런데, 상기 세라믹계 또는 활성탄계 담체를 이용한 오폐수 처리에 대한 것으로는 예를 들어, 대한민국 특허출원 제1998-0044290호는 "세라믹담체를 이용한 오폐수 고도처리 시스템"이라는 명칭으로, "오폐수 중에 포함된 유기물 및 영양염류를 제거시킬 수 있는 세라믹 담체를 이용한 오폐수 고도처리시스템에 관한 것으로, 오폐수 유입공급장치(50) 와 오폐수 유입공급장치(50)에서 공급된 오폐수를 처리하기 위해 산소성 영역(A) 및 무산소성 영역(B)으로 분할되게 형성된 타워형 주반응조(30)와 산소성 영역(A)에 공기를 공급하도록 형성된 공기발생장치(60)와 주반응조(30)에서 공급된 오폐수를, 오폐수내의 침전물을 침적시키는 경사판(28)이 내측 상부측에 형성되고, 상기 경사판(28)의 상부측에는 최종 유출구(26)가 형성되고, 상기 처리되지 않는 오폐수를 주반응조(30)로 반송시키도록 반송유출구(33)를 갖는 침전조(40); 로 이루어진 세라믹담체를 이용한 오폐수 고도처리 시스템"을 개시하고 있다.

또한, 대한민국 특허출원 제1999-0041849호는 "다공성 토양질 담체를 이용한 오폐수 처리 시스템" 이라는 명칭으로, "기존 생물학적 처리공법 중 가장 보편적인 표준 활성슬러지 공법의 변법으로 포기조를 2단으로 설치하고, 활성화조를 신설하여 다공성 토양질 담체가 내장되어 있는 활성 배양기를 장치하고 침전 슬러지의 일부를 반송시켜 임의성 미생물의 순응을 유도함으로써 기존의 활성슬러지에 이용되는 미생물군의 종 조성의 변화를 도모하며, 토양성분과 유사한 형태의 슬러지의 생성을 하도록 하여 슬러지 처리비용을 절감시키고, 휘발성 유기물질의 휘산을 억제하여 악취 발생을 차단하며, 영양물질의 동시 제거를 가능토록 하는 수처리 공법" 을 개시하고 있다.

그러나, 상기 활성탄이나 세라믹계 무기재료 담체는 비표면적이 크고 표면이 거칠며 오염물질에 대한 흡착능이 있어서 미생물막이 얇게 형성되고 슬러지 발생량이 적은 이점이 있는데 반하여, 담체를 원하는 모양으로 성형하기 힘들고 고온소성에 의해 제조되어야 하므로 제조 단가가 높은 단점이 있다.

한편, 상기 고분자계 담체는 값이 싸고 원하는 모양으로 제조가 가능하여 편리하지만, 그 자체로는 비표면적이 적고 표면이 물리적으로 거칠지 못하여 저폭기 조건에서는 생물막이 두꺼워져서 엉겨 붙거나 고폭기 조건에서는 부착된 미생물막의 탈리가 빈번하게 발생할 뿐만 아니라 슬러지 발생량이 많다는 단점이 있다.

더욱이, 상기한 종래의 담체들은 비중이 반응기 특성에 맞게 적절히 조절되지 못해, 비중이 1보다 큰 담체들은 반응기 내에 설치 시 그물망에 넣거나 스크린(screen)을 설치하여 바닥에 가라앉는 것을 방지하고 분산을 시키려면 설치비용이 많이 들며, 또한 이렇게 담체가 결집된 고정층으로 사용 시 장기간 운전 후에는 담체 층이 고형물로 막혀서 유체흐름의 편류 현상이 일어나거나 압력이 증가하여 효율이 점점 떨어지거나 담체를 새로 설치를 해야 하는 문제점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해 최근에 유동상 형태로 운전되는 담체들이 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허출원 제1998-0040217호의 "질소·인제거를 위한 유동상 생물막담체 및 하폐수 처리방법"은 "호기성반응조에 충전되어 부착증식되는 생물막의 작용에 의하여 하폐수를 처리하는 유동상 생물막담체에 있어서, 다수의 관상공극이 구비되고 상기 관상공극의 내부표면에 생물막이 부착증식되어, 호기성반응조내의 반응액이 상기 관상공극을 통과하여 생물학적 반응을 하는 등의 일련의 작용을 통하여 하폐수로부터 질소와 인 등이 제거될 수 있는 유동상 생물막담체를 제공하는 한편, 다수의 관상공극이 구비되어 있는 상기 유동상 생물막담체는 호기성반응조에 충전되고 각각의 관상공극 내부에 호기성조건, 무산소조건 또는 혐기성조건으로 상이 분리 형성되도록 하여 유기물의 분해와 질소 ? 인이 제거되는 것을 특징으로 하는 유동상 생물막담체에 의한 하폐수처리방법"을 개시하고 있다.

그러나, 기공이 많은 폴리우레탄 등의 스폰지류의 유동상 담체들은 겉보기 비중이 너무 낮아 호기조에서 유동화가 되지 못하고 유체의 흐름에 편류하여 반응기 한쪽으로 쏠리는 경향이 있어서 효과적이지 못하며, 또한 초기에는 활성이 좋으나 시간에 지나면 작은 기공들 내부가 고형물로 막혀서 비중이 1 보다 증가하게 되고 종래에는 유동화가 힘들어지고 성능이 떨어지게 된다. 또는, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 만든 담체들은 비중이 물보다 너무 낮고(0.96 이하), 고분자의 특성상 표면이 미끄럽고 거칠지 못하여 생물막이 잘 부착되지 못하며, 또한 공기 공급량이 많으면 유동화가 잘 되지 않고 물위로 뜨는 단점이 있다.

또한, 종래 오폐수의 악취가스를 생물학적으로 처리하는 생물학적 여과 반응기는 대부분 콤포스트(compost) 등의 자연산 담체나 스폰지 큐브(cube) 등을 충진한 고정층 반응기를 사용하여 운전하거나 물과 공기를 함께 유입시키는 트리클-층(trickle-bed) 반응기가 사용되나, 이러한 반응기들은 장기간 운전 시(통상 2-3년 후) 슬러지 및 고형물의 축적으로 종래에는 담체를 새로 교체하여야 하나 그 부피의 방대함으로 많은 비용이 소요되어 바람직하지 못하다.

따라서, 본 발명자 등은 상기한 종래의 제반 문제점들을 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 담체를 고표면적의 칩(chip) 형태로 제조하되 비중을 물과 비슷하게 하면서도 물보다 아주 조금만 낮게 유지하여 물속에서 담체가 바닥에 가라앉지도, 수표면 위에 부상하지도 않고 수면아래 자가 부상한 상태로 존재하게 하며, 지지층의 설치가 필요 없는 자가부상형 고정층 반응기로의 운전이 가능하고 공기공급이나 기계적 교반 시에는 담체가 물과 함께 완전하게 분산되는 유동상 반응기로의 운전이 가능할 것이라는 것을 알아냈다.

또한, 악취가스 제거를 위한 생물학적 여과용 고정층 또는 트리클-층 반응조에서도 장기간 운전에 의한 슬러지 침적 시 담체를 새로 교체할 필요가 없이 반응조 내 물을 일시적으로 채우고 잠깐 동안만 유동화를 시켜 담체를 쉽게 세척 후 물을 다시 빼내고 재사용 할 수 있다는 것도 알아냈다.

따라서, 이러한 점에 착안하여 본 발명자 등은 상기 종래의 미생물막 담체의 단점을 해결한 대한민국 특허출원 제2001-0051983호의 "비중이 조절된 튜브칩형 미생물 담체 제조방법 및 이로부터 제조된 미생물 담체"를 개시한 바 있다.

상기 특허 출원된 발명은 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌에 활성탄, 점토, 화산재 등 활성 점토 및 무기광물 들을 혼합하여 표면 거칠기와 오염물 흡착능력을 보유하면서도 비중을 0.97 이상 1.0 이하로 조절한 고성능 유동상 담체 제조 방법을 개시하 고 있다.

그러나 상기 특허 출원된 발명에서 제시된 담체는 무기입자의 혼합으로 고표면적의 튜브칩 형태로 압출 시 무기입자들이 나노크기 이하라야 하고, 또한 무기입자 함유 추가 마스터배치(master batch)용 고분자 칩 제작이 필요하며 이것을 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌에 혼합 압출 시 두께가 얇으면 압출이 잘 되지 않고 끊기며 압출 속도도 느린 단점으로 인하여 재료비나 시간당 생산량에서 제조 경비가 많이 드는 단점이 있다.

이에 본 발명자 등은 상기한 종래의 각종 문제점, 즉 느린 생물막 성장 및 생물막 탈리 현상, 유동상으로 사용 시 비중이 정확하게 조절이 되지 않아 표면 부상이나 바닥에 가라앉는 현상이나 불안정한 유동화 및 담체 편류 현상, 담체를 고정층으로 사용 시 추가 설치장치 건설 및 비용 발생과 함께 장기 운전 시 슬러지 축적에 의한 고압 역세척 또는 담체 교체 문제의 발생 등의 문제점을 해결하기 위해 수많은 연구를 수행한 결과 특정한 비중과 특성을 갖는 고분자들을 일정한 형태로 성형함으로서 상기한 문제점을 해결할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하여 미생물을 고농도로 부착할 수 있으며 특정한 비중을 가져 반응조에서 유동성이며, 성형이 용이하고 생산성 이 우수하며 값이 저렴하여 오폐수 처리 및 악취가스 생물학적 여과용 생물반응기에 널리 이용될 수 있는 고분자 담체 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 상기 고분자 담체를 이용한 생물학적 오/폐수 처리 및 악취가스의 생물학적 여과 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 비중이 1.0 이하인 고분자에 상기 고분자에 잘 용해되지 않고 비중이 1.0 이상인 고분자 물질을 일정 비율로 혼합하여 비중 범위를 0.96 내지 1.0으로 하여 압출 성형함으로, 표면이 거칠어 미생물을 고농도로 부착하기가 용이하며 반응조에서 유동성인 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체를 용이하게 제조하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

본 발명에 따른 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체는;

비중이 1.0 이하인 고분자 물질로 된 제1성분과 상기 제1성분에 잘 용해되지 않고 비중이 1.0 이상인 고분자 물질로 된 제2성분을 비중 범위가 0.96 내지 1.0으로 되도록 일정 비율로 혼합하여 표면이 거칠게 압출 성형하여 얻어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 제1성분은 비중 1.0 이하의 고분자에서 선택될 수 있는 것으로 특히 한정되지는 않지만, 바람직하기로는 폴리에틸렌(polyethylene), 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 고분자에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 단일물 또는 혼합물임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 제2성분은 비중 1.0 이상의 고분자에서 선택될 수 있는 것으로 특히 한정되지는 않지만, 바람직하기로는 폴리에스테르(polyester), 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride) 고분자에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 단일물 또는 혼합물임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 보다 정교한 비중 조절을 위해서, 예를 들어, 석분, 금속 및 금속산화물, 탈크, 중정석(Barite BaSO₄), 탄산칼슘(CaCO₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)에서 선택된 고비중의 무기물질을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 보다 정교한 비중 조절을 위해서, 예를 들어, 경석과 같은 저비중의 무기물질, 또는 예를 들어, 암모늄 카보네이트, 암모늄 나이트레이트, 에틸렌글리콜, 셀룰로오스 등의 무기분해제나 유기고분자 발포제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 담체에는 부착된 미생물의 활착과 생장을 돕기 위해 폐수 속의 독성 성분을 흡착 할 수가 있는 물질이나, 미생물 성장에 필요한 미네랄을 함유한 성분이 더 포함될 수 있다.

상기 부착된 미생물의 활착과 생장을 돕기 위해 폐수 속의 독성 성분을 흡착 할 수가 있는 물질로는, 이에 한정되지는 않지만 결정성 클레이(clay), 활성탄 등을 포함하며, 상기 미네랄은 Fe, P, Mg, Ca, Zn 등이 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체의 제조방법은:

비중이 1.0 이하인 압출성형이 용이한 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 고분자에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 제1성분과, 상기 제1성분에 잘 용해되지 않고 비중이 1.0 보다 훨씬 큰 고분자 물질인 폴리에스테르, 폴리스티렌에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 제2성분을 각각 선정하는 단계;

상기 공정에서 선택된 각 성분을 혼합 시 혼합물의 비중이 0.96 이상 1.0 이하의 범위가 되도록 상기 제1 및 제2 성분의 비율을 결정하는 단계;

상기 단계에서 결정된 비율로 상기 제1 및 제2 성분을 물리적으로 균일하게 혼합하는 혼합단계; 및

상기 혼합물을 각 성분이 용해가 불가능한 점을 이용하여 성형된 담체 표면을 자의적으로 거칠게 유지하면서 고 표면적의 튜브칩 형태로 압출 성형하는 단계로 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명에 따른 담체는 최종 비중이 0.96 이상 1.0 이하의 범위가 되도록 상기 제1 및 제2 성분을 일정비율로 혼합함을 특징으로 하는데, 만일 최종 담체의 비중이 0.96 이하이면, 반응조의 수면에 부유하는 경향이 너무 강하고, 최종 담체의 비중이 1.0 이상이면, 담체가 반응조의 수중에서 하부로 침강하는 경 향이 강하여 각각 유동상 형태로 운전할 수 없다는 단점이 있어 바람직하지 않다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 생물학적 오/폐수 처리 및 악취가스 생물학적 여과용 반응기에 사용되는 미생물막 담체를 제조함에 있어서, 값이 싸고 비중이 1.0 보다 낮은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 그 복합체에 이 재질과는 용해되지 않고 비중이 1.0 보다 큰 고분자 물질, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리스티렌 등을 최종비중이 0.96 이상 1.0 이하로 되도록 물리적으로 혼합한 후 고 표면적의 튜브칩 형태로 용융압출 성형하여 절단함으로써 튜브 두께가 얇으면서도 표면이 거칠게 되어 미생물을 고농도로 용이하게 부착할 수 있을 뿐 아니라 반응조에 유동할 수 있는 고분자 복합소재로 된 미생물막 담체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 고분자 복합소재의 담체를 오/폐수를 함유한 미생물 반응조에 투입하여 공기공급형 생물반응기 또는 공기차단 교반형 생물반응기에서는 상기 담체가 물과 함께 유동하는 유동상 반응기로 운전되고, 공기차단 비교반형 생물반응기에서는 수면아래 자가 부상된 상태로 상기 담체가 충진된 고정층 반응기로 운전하는 생물학적 오폐수 처리 방법을 제공한다.

상기 공기차단 비교반형 생물반응기에서 사용되는 경우 장기간 운전에 의한 담체 역세척과 반응기 재생이 짧은 시간동안의 공기공급과 재 차단으로 간단하게 달성될 수 있다.

더욱이, 본 발명은 상기와 같이 본 발명에 따른 담체를 악취가스 생물학적 여과용 고정층 또는 트리클-층용 반응기로 사용함을 특징으로 하는 악취가스의 생물학적 여과 방법을 제공한다.

상기 본 발명에 따른 담체를 악취가스 생물학적 여과용 고정층 또는 트리클-층용 반응기로 운전 시 장기간, 예를 들어 2-3 년간 운전으로 그 후 반응기 내 슬러지가 축적되어 압력 강하나 성능 저하가 일어나면 담체를 교체하거나 끄집어내어 세척하지 않고 반응기에 물만 채워 유동화시켜 자동세척하고 물을 다시 빼내어 재가동함으로써 담체 및 반응기 재생을 간단하게 할 수 있다.

또한, 상기와 같이 본 발명에 따라 표면거칠기와 비중이 조절되어 제조된 담체는 반응기 내에서 생물막 부착이 빠르고 안정적이며, 또한 반응기 내에 설치 시 어떤 추가 장치나 시설 없이 어떤 형태의 반응기에도 투여만으로 운전이 가능하다. 예를 들어, 오폐수를 처리하는데 사용되는 공기가 공급되는 호기조 또는 무산소적 조건의 교반형 생물반응기에서는 상기 본 발명에 따른 담체가 물과 함께 완전 혼합되면서도 편류 현상이 없는 잘 분산된 유동상 반응기로 운전이 가능하고, 공기차단형 혐기조 또는 비교반형 생물 반응기에서는 담체가 수면 아래 자가부상된 상태로 집적되어 존재하기 때문에 자가부상형 고정층 반응기 형태로 운전하면서 오폐수를 고효율로 처리할 수 있다. 또한, 이러한 고정층 반응기는 장기운전으로 고형물이 축적되어 충진층의 역세척이 필요할 때도 일반 고정층 반응기의 고압수의 통과에 의한 역세척 방법과는 달리 공기만 공급하여 유동화 시키면 자동으로 역세척이 되 고 공기 공급을 차단하면 2-3 분 내에 다시 고정층 반응기로 스스로 변형된다. 또한, 고정층이나 트리클-층으로 운전되는 악취가스 생물학적 여과용 반응기에서도 장기간 운전 후 담체를 교체하거나 끄집어내어 세척할 필요 없이, 반응기 내에 물을 채워 유동화 시키면 짧은 시간에 세척이 되고 물을 빼면 재 운전이 바로 가능하다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참고로 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 복합 고분자 재료로 된 미생물막 담체의 표면 현미경 확대 사진으로, 상기 본 발명에 따라 사용될 수 있는 고분자 물질로 제1성분은 가격이 저렴하고 압출기(Extruder)로 용융 압출 성형이 쉬운 비중 1.0 이하의 저비중의 폴리에틸렌(polyethylene; PE) 및 폴리프로필렌(polypropylene; PP)에서 선택된 일종 이상의 단독 물질 또는 그 혼합물과, 그리고 제2성분으로는 상기 제1성분에 용해가 되지 않는 고비중 (비중 1.0 이상)의 폴리에스테르(polyester; PET) 및 폴리스티렌(polystyrene; PS) 등에서 선택된 일종 이상의 단독 물질 또는 그 혼합물을 사용하여 상기 제1 및 제2성분을 적당한 비율로 섞어서 표면 거칠기를 크게 하고 비중을 0.96 이상 1.0 이하 범위에서 조절하여 압출 성형하여 제조함으로, 도 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 담체의 표면은 표면 거칠기가 크고, 따라서 고표면적을 가짐을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 담체는 원재료 보다는 착색되어 다른 용도로는 재사용이 불가능하거나 깨끗하지 못해서 폐기 처분되는 재생 원료를 본 발명의 담 체 제조에 사용할 수 있으므로, 담체의 제조비용을 낮출 수 있을 뿐 아니라 표면 거칠기를 더욱 더 증대시킬 수 있어 본 발명의 목적 달성에 더욱 바람직할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 고분자 복합의 혼합물을 이용하여 고표면적의 튜브칩 형태로 압출성형 시 튜브 표면의 거칠기를 증대시키면서 동시에 비중을 0.96 이상 1.0 이하, 보다 바람직하게는 0.97-0.98 사이로 정교하게 조절하기 위해서 추가로 저비중 조절제로 탈크(talc)나 마그네슘염, 또는 고비중 조절제로 암모늄 카보네이트, 암모늄 나이트레이트, 셀룰로오스, 녹말 등의 고온 분해성 무기염이나 또는 유기 고분자 발포제 등을 소량 첨가할 수도 있다. 또한, 폐수 내 독성성분의 담체 표면 내 흡착을 돕기 위해 흡착제로 결정성 클레이(Clay), 활성탄 등을 부가 할 수 있으며, 미생물의 생장을 돕기 위한 철, 인, 칼슘 등 과 같은 무기비타민류를 성형에 방해가 되지 않는 범위에서 미량 첨가할 수도 있음은 물론이며, 기타 본 발명의 분야에서 통상인에 의해 본 발명의 특성을 저해하지 않는 범위에서 각종 부가물질의 첨가 및 변경 또한 본 발명의 범위 내에 속함은 이 분야의 통상인에게 자명할 것이다.

또한, 상기한 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 담체는 표면이 거칠어 많은 미생물을 서식하게 하면서도 생물막의 탈리 현상이 없어 영구히 사용할 수가 있다.

일반적으로, 담체를 미생물 반응기에 설치 시 비중이 1.0 보다 큰 담체는 담체 사이 유체 흐름이 막히지 않게 하고, 또한 담체가 반응기 바닥에 가라앉는 것을 방지하기 위해 그물망이나 스크린 지지체 등을 설치해야 하나, 본 발명에 따른 담체는 비중이 물보다 약간 적게 조절되어 설치물 없이 바로 생물반응기 내에 투입하여도 유체의 혼합 유무에 따라 유동상 반응기 형태로 또는 자가 잠수 부상된 고정층 반응기 형태로 운전이 가능하다.

또한, 유동화 시 마찰에 의한 막의 끊임없는 탈리, 재생으로 최종 비중이 1.0 이하로 유지되기 때문에 담체가 가라앉는 일이 없이 항상 완전한 유동화가 일어나며, 공기 공급이 없는 생물반응기에서 자가부상된 상태의 고정층으로 운전 시에도 담체 설치용 추가 구조물이 필요 없고, 장기간 운전에 의한 슬러지 축적 시에도 잠깐 동안의 공기 공급에 의한 유동화 운전으로 쉽게 담체 세척이 가능하며, 공기 공급만 차단하면 2-3분 이내에 다시 고정층으로 기능이 회복되어 일반 지지층의 고정층 반응기에 비해 역세척이 아주 간편하고 쉽게 진행된다.

또한, 상기 본 발명에 따른 담체의 또 다른 장점은 비중이 물과 비슷하여 완전한 유동화가 가능하기 때문에 생물반응기 부피의 최대 90 부피% 까지 투여가 가능하며 반응기 내 MLSS 농도를 일반 활성슬러지 공법의 최대 7배 수준(20,000 g cell/m³)까지 증가시켜 고효율로 처리하는 것이 가능하다.

또한, 공기 공급형 호기조에서 유동화되는 고표면적의 담체는 공기 용해속도를 증가시켜 일반 활성슬러지 공법에 비해 공기량이 적게 소모되는 장점이 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 고분자 복합재료로 된 미생물막 담체는 고표면적의 튜브칩 형태로 압출 성형되고, 비중이 0.96 이상 1.0이하로 조절되며, 압출된 담체의 표면이 거칠게 되어 생물막이 부착하기가 쉽고, 또한 정교한 비중조절로 인해 공기가 공급되는 호기조나 기계적인 교반이 되는 오폐수 처리용 생물반응조 및 악취제거용 생물학적 여과 반응조 등에서는 완전한 유동상으로 운전되게 하며, 유체 교반기가 없거나 공기가 공급되지 않는 오폐수 처리용 혐기조 또는 무산소조 등에서는 오/폐수 수면아래 잠수 부상된 형태의 자가부상형 고정층 반응기로 운전하다가 공기만을 잠깐 공급함으로써 유동화에 의한 역세척이 가능하며, 또한 고정상이나 트리클-층 형태의 생물학적 여과 반응기로 운전 시에도 장기 운전에 의한 담체 막힘 현상이 일어나면 담체를 새로 교체하거나 끄집어내어 세척하지 않아도 반응기 내 물 수위를 높이고 잠깐 유동상으로 운전하여 간단하게 세척할 수가 있는, 운전이 쉽고 설치가 간편하며 효율이 좋은 새로운 형태의 생물막 부착용 미생물 담체이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

<실시 예 1>

제1성분(BASE RESIN)으로 비중 0.96의 고밀도 폴리에틸렌 칩을 사용하고 여기에 비중 1.4의 재생 PET 칩을 15:1의 무게 비율로 혼합하여 2축 스크류 압출기(Twin screw extruder)에서 용융압출한 후 냉각 절단하여 최종적으로 직경 10 mm, 길이 10 mm, 두께 0.3 mm의 튜브칩 형태의 담체를 제조하였다. 이와 같이 제조된 칩의 비중은 0.98 이었으며, 도 1에서 나타난 바와 같이 표면 거칠기가 증가하여 기하학적 표면적보다 120%의 표면적 증가가 관찰되었다.

1000 liter의 호기조에 80 부피%의 상기와 같이 제조된 담체를 투여하고 40 liter/min의 공기를 주입하여 완전한 유동화가 되게 한 후 BOD 400 PPM의 오수를 25℃에서 통과시키면서 오수처리장 슬러지를 첨가하여 운전하였다. 한 달 후 처리율이 정상상태가 되었을 때 유입오수의 HRT(hydraulic retention time)를 2 시간으로 유지하고 침전된 슬러지의 재반송 없이 오수를 통과시키면서 운전한 결과, 유출수 평균 BOD 제거율은 99% 이상이었으며, BOD 농도는 4 PPM 이하로 유지되었다.

<실시 예 2>

제1성분을 비중 0.92의 저밀도 폴리에틸렌 칩으로 하고 여기에 비중 1.4의 재생 PET 칩을 7:1의 무게 비율로 혼합하고 상기 실시예 1의 압출기에서 압출-성형-냉각-절단 과정을 거쳐하여 복합고분자 칩을 얻었다. 상기 복합고분자 소재의 칩에 탈크를 15%, 제올라이트를10% 함유한 LDPE 마스터배치를 5무게% 첨가하고 상기 압출기에서 최종적으로 직경 10 mm, 길이 10 mm, 두께 0.5 mm의 튜브칩 형태의 담체를 제조하였으며 그 비중을 측정한 결과 0.985 이었다.

상기와 같이 제조된 담체를 1000 liter의 호기1조에 80 부피%로 투여하고 BOD 1,000 PPM의 맥주공장 폐수를 25℃에서 통과시키면서 생물막이 자라게 하였다. 두 달 후 정상 상태에서 처리 유량을 증가시키면서 최대로 처리 가능한 BOD 부하량을 측정하였다.

BOD 제거율이 80% 이상 유지되는 조건에서 호기조 내로 유입시킬 수 있는 최대 BOD 부하량은 반응기 M³ 당 12,000 g BOD/m³-day 였고, 담체 M³당 15,000 g BOD/m³-day로 나타났다.

<실시 예 3>

PE와 PET의 혼합 비율을 무게비로 12:1로 유지하고 직경 7 mm, 길이 10 mm, 두께 0.3 mm의 튜브 칩으로 성형하는 외에는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 칩을 제조하였다. 본 실시예에 따라 제조된 칩의 비중은 0.973이었다.

이와 같이 제조된 담체를 1000 liter의 호기 1조에 50 부피% 투여하고, 상기 실시예 2에서 제조된 담체를 500 liter의 호기2조에 50 부피%를 투여하였다. 호기1조에 50 liter/min의 공기를 호기2조에 30 liter/min의 공기를 공기취입장치(Sparger)를 통해 주입하였으며 BOD 500 PPM, 암모니아 50 PPM의 오수를 통과시켰다. 상기 유동상 조건으로 운전하면서 유입오수 대비 HRT (hydraulic retention time)를 호기1조 4시간, 호기2조 2 시간으로 하여 운전한 결과, 최종 유출수의 BOD 제거율은 98%, 질산화율은 99%에 달했으며 유출수의 평균 BOD 농도는 10 PPM 이하, NH3+-N 농도는 1 PPM 미만으로 유지할 수가 있었다.

<실시 예 4>

상기 실시예 3의 호기1조 전단에 250 liter의 무산소조를 연결 설치하고 실 시예 2에서 제조된 담체 50 부피%를 투여한 후 교반없이 고정층 상태에서 오수가 상향 방향으로 통과하게 하여 운전하였다. 유입수 기준 호기 1조 HRT 4 시간 , 호기 2조 HRT 2 시간, 무산소조 HRT 1 시간으로 하고, 호기2조 유출수를 전단 무산소조로 유입수 대비 200%로 재 반송하여 운전하였다. 정상상태에 도달하였을 때 BOD 제거율 98%, 질산화율 99%, 탈질율 90%를 얻었다.

<실시 예 5>

1,000 liter의 호기1조 및 500 liter의 호기2조를 직렬 연결한 반응조에 실시예 2에서 제조된 담체들을 각각 80% 충진한 후 철강공단 쓰레기장 침출수를 사용하여 운전하였다. 기존 침출수 공장의 활성슬러지를 3,000 ppm 반응기에 투여한 후 COD 농도가 3,000 ppm, BOD 700 ppm, CN 5 ppm, 암모니아 300 ppm의 조성을 가진 침출수를 유입 시켰다. 초기 HRT를 호기1조 기준 10일에서 일주일을 운전 후 2달 동안 점진적으로 2일로 감소시켰다. 3달 후 정상상태에 도달하였을 때 COD 제거율 60%, BOD 제거율 93%, 질산화율 80%, CN 제거율 95%를 얻었다.

<실시 예 6>

COD 2,000 ppm, SCN 500 ppm, 암모니아 700 ppm, CN 15ppm의 제철소 콜타르 폐수를 1,000 liter의 호기1조 및 500 liter의 호기2조를 사용하고 담체는 실시예 1에서 사용한 같은 성분의 담체들을 각각의 호기조에 80 부피%를 넣되 담체 크기를 직경 7mm 길이 10mm 짜리를 사용하였다. 총 HRT 1.5일 기준으로 2달 후 정상상태 에서 최종 COD 제거율 97%, SCN의 암모니아로의 전환율 99%, 총 암모니아 질산화율 99%, CN 제거율 98%를 얻었다.

<실시예 7>

모 염색공단의 염색폐수(COD 2,000 ppm, BOD 1,800 ppm) 원수를 사용하여 pH만 Ca(OH)₂으로 중성으로 조절한 후, 실시예 1에서 제조된 담체와 같은 성분으로 직경 7mm 짜리 담체를 50 부피% 사용하여 1,000 L 크기의 호기조에서 반응실험을 한 결과, 35일 후 정상상태에 도달하였을 때 HRT 1.0일의 조건에서 COD 제거율 90%, BOD 제거율 98%를 달성하였으며, 80% 전환율에서 최대 허용부하량은3,500 g COD/m³-day 이었다.

<비교 예 1>

폴리우레탄 다공성 스폰지 담체를 10 mm의 큐브(Cube) 형태로 절단하여 실시예 3에 기재된 호기1조 및 호기2조에 각각 50 부피%를 투여하고 동일한 조건에서 실험한 결과, COD 제거율 87%, 질산화율 30%를 얻었다.

<비교 예 2>

실시예 5와 동일한 반응기를 사용하여 활성슬러지 공법으로 반응기 내 활성슬러지 농도를 5,000ppm이 되게 슬러지를 재 반송하면서 운전 하였을 때, 호기조 HRT를 2배인 4일로 한 경우에도, COD 제거율 20%, BOD 제거율 45%, 질산화율 0%, CN 제거율 50%를 얻었다.

<비교 예 3>

폴리우레탄 다공성 스폰지 담체를 이용하는 외에는 실시예 6과 동일한 실험을 수행한 결과, COD 제거율 45%, SCN 제거율 20%, 총 질산화율 0%, CN 제거율 10%를 얻었다.

<비교 예 4>

상기 실시 예7에서의 폐수를 활성슬러지 공법으로 MLSS 농도 4,500 ppm으로 하여 HRT 2.0일로 운전한 결과 정상상태에서 COD 제거율은 50% 밖에 달성되지 않았다.

상기 실시예 및 비교예에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 담체를 사용하면 기존의 활성슬러지 공법으로 처리가 힘든 독성 폐수의 생물학적 처리가 가능하고, 그 제거효율의 증가도 크다.

즉, 상기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 고분자 복합재료로 된 생물막 담체는 표면 거칠기 및 비중이 조절되어 다음과 같은 이점을 제공한다.

(1) 본 발명에 따른 담체는 비중 1.0 이하의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 그 복합물과 여기에 용해되지 않은 비중 1.0 이상의 고분자를 혼합하여 비중을 0.96 이상 1.0 이하로 함으로 반응기 내에 담체를 분산 또는 고정하기 위한 추가 구조물 설치 없이 바로 투입하여 사용할 수가 있으며, 무교반 시 잠수부상형 고정층 반응기로 공기공급 또는 교반 시 유동상 반응기로의 운전이 원활히 이루어질 수 있다.

(2) 본 발명에 따른 담체는 일 성분이 타 성분에 용해되지 않고 표면에 분산된 고비중 고분자에 의해 담체 표면이 거칠어져 표면적이 증가함으로 미생물이 쉽게 활착되고 장기 운전에도 안정적으로 생물막 두께를 얇게 유지하여 고독성 폐수 또는 난분해성 폐수 처리 시 효율이 월등하다.

(3) 본 발명에 따른 담체는 반응기 내 분산을 위한 추가 설비물의 설치가 필요 없고 어떤 형태의 반응기에도 투여 및 운전이 가능하며, 장기간 운전 시에도 활성저하나 비중의 변화가 없고 안정적인 운전이 가능하다.

(4) 자가 부상형 고정층으로 운전 시에도, 2-10분 이내의 단시간 동안의 공기 공급으로 담체가 유동화 되면서 담체 내 축적된 슬러지가 세척되고, 공기공급을 차단하면 수 십초 내에 다시 고정층으로 돌아가므로 역세척이 쉽다.

(5) 최대 허용부하량이 활성슬러지 경우보다 통상 3-5 배 이상 높아서 통상 운전조건에서는 슬러지 발생량이 줄어들고, 슬러지의 침강성도 개선된다.

(6) 고표면적의 담체의 유동으로 공기의 용해속도를 높여서 호기조 내 공기 사용량이 줄어 든다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체 및 그 제조 방법은 담체 표면의 거칠기가 크고 특정의 비중을 가지므로 생물이 보다 쉽게 부착 성장하면서도 생물막의 두께가 항상 얇게 유지되고 슬러지 발생량이 적으며 침강성이 개선된 담체를 제공하는 유용한 발명이다. 또한, 본 발명은 상기 담체를 이용한 생물학적 오/폐수 처리와 악취가스의 생물학적 여과 방법을 제공하는데, 상기 본 발명에 따른 특정 범위의 비중을 갖는 담체를 그대로 물 속에 투여하여도 수면 위에 뜨는 일이 없고 수면 아래 가라앉지도 않는 특성을 가져 호기조에서는 적은 공기량으로도 완전한 유동화가 일어나며 장기 운전 시에도 담체가 막히거나 편류 현상이 없고 최대 90 부피% 까지 투여가 가능하여 고효율을 요하는 고농도 산업 폐수나 난분해성 및 독성 폐수를 처리할 수 있으며, 혐기조로 운전 시 설치물 없이 바로 투여하여 수면아래 자가부상형 고정층 반응기로 운전이 가능하며, 슬러지 침적 시에도 잠깐 동안의 공기 공급에 의한 유동화 운전으로 역세척이 가능하고, 공기 공급을 차단하면 수십 초 내에 고정층 반응기로 다시 전환되어 운전이 용이하여 각종 오폐수를 보다 용이하고 효율적으로 처리할 수 있게 한다.

Claims (12)

1. 비중이 1.0 이하인 고분자 물질로 된 제1성분과 상기 제1성분에 잘 용해되지 않고 비중이 1.0 이상인 고분자 물질로 된 제2성분을 비중 범위가 0.96 내지 1.0으로 되도록 일정 비율로 혼합하여 표면이 거칠게 압출 성형하여 얻어짐을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1성분은 폴리에틸렌(polyethylene), 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 고분자에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 단일물 또는 혼합물임을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2성분은 폴리에스테르(polyester), 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리염화비닐 (polyvinyl chloride) 고분자에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 단일물 또는 혼합물임을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 담체는 석분, 금속 및 금속산화물, 탈크, 중정석(Barite BaSO₄), 탄산칼슘(CaCO₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)에서 선택된 고비중의 무기물질을 더 포함함을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 담체는 경석과 같은 저비중의 무기물질 또는 암모늄 카보네이트, 암모늄 나이트레이트, 에틸렌글리콜, 셀룰로오스에서 선택된 무기분해제나 유기고분자 발포제를 더 포함함을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 담체는 부착된 미생물의 활착과 생장을 돕기 위해 폐수 속의 독성 성분을 흡착할 수가 있는 물질이나 미생물 성장에 필요한 미네랄을 함유한 성분을 더 포함함을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체.
7. 비중이 1.0 이하인 압출성형이 용이한 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 고분자에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 제1성분과, 상기 제1성분에 잘 용해되 지 않고 비중이 1.0 보다 훨씬 큰 고분자 물질인 폴리에스테르, 폴리스티렌에서 선택된 하나 또는 그 이상의 물질로 된 제2성분을 각각 선정하는 단계;

   상기 공정에서 선택된 각 성분을 혼합 시 혼합물의 비중이 0.96 이상 1.0이하의 범위가 되도록 상기 제1 및 제2 성분의 비율을 결정하는 단계;

   상기 단계에서 결정된 비율로 상기 제1 및 제2 성분을 물리적으로 균일하게 혼합하는 혼합단계; 및

   상기 혼합물을 각 성분이 용해가 불가능한 점을 이용하여 성형된 담체 표면을 자의적으로 거칠게 유지하면서 고 표면적의 튜브칩 형태로 압출성형하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 혼합 단계에서는 석분, 금속 및 금속산화물, 탈크, 중정석(Barite BaSO₄), 탄산칼슘(CaCO₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)에서 선택된 고비중의 무기물질을 더 혼합함을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체의 제조방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 혼합 단계에서는 경석과 같은 저비중의 무기물질 또는 암모늄 카보네이트, 암모늄 나이트레이트, 에틸렌글리콜, 셀룰로오스에서 선택 된 무기분해제나 유기고분자 발포제를 더 혼합함을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체의 제조방법.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 혼합단계에서는 부착된 미생물의 활착과 생장을 돕기 위해 폐수 속의 독성 성분을 흡착할 수가 있는 물질이나 미생물 성장에 필요한 미네랄을 함유한 성분을 더 혼합함을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체의 제조방법.
11. 청구항 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항 기재의 담체를 생물반응조에 투여되는 담체로 하여 상기 담체를 10 부피% 내지 90 부피%로 생물반응조에 투여하여 생물반응조를 운전함을 특징으로 하는 고분자 복합재료로 구성된 미생물막 담체를 이용한 오폐수 처리 방법.
12. 청구항 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항 기재의 담체를 악취가스 생물학적 여과용 고정층 또는 트리클-층용 반응기로 사용함을 특징으로 하는 악취가스의 생물학적 여과 방법.

Images