KR100701599B1 - 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강우시 비점오염물질의 제거장치에 있어서,

강우유출수에 포함된 모래 및 입자상 물질을 제거하기 위한 침사지와;

그리고 생물학적 처리를 위해 생물막이 형성된 메디아가 구비된 반응기; 및

상기 반응기의 하부에 공기를 공급하기 위한 공기공급 라인;

으로 구성된 것을 특징으로 하는 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치에 관한 것이다.

종래의 비점오염원물질을 처리하기 위한 장치가 주로 비중이 높은 오염물질인 흙 또는 모래 등만을 제거하기 위한 물리적인 방법으로 처리하는데 반해 상기의 구성을 갖는 본 발명은 메디아에 부착된 생물막을 이용하여 비점오염원에 함유되어 있는 유기물질, 질소화합물 등을 제거하기 위하여 생물학적 처리방법을 적용시킨 사례로서, 유입수 중에 용존되어 있는 용존성 물질의 제거 성능이 우수하고, 오염물질의 생물학적 처리에 따른 2차 오염물질 발생을 최대한 억제하여 환경부담을 최소화할 수 있으며, 메디아의 충전율이 설치 현장의 조건에 따라 5∼30%(V/V) 적용시킴으로써 나머지 용적에 대해서는 우수에 대한 저류지 기능 및 공장의 비상저류조로 활용가능한 실용성을 갖는 효과가 있으며, 또한 여재에 대한 오염물질의 부하가 걸리지 않아 여재 교체의 필요성이 없는 반영구적인 처리기술인 것이 장점이다.

비점오염물질, 메디아, 생물학적 처리장치, 생물막, 침사지, 반응기, 공기공급라인

Description

메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치{Apparatus for removal of non-point source pollutant by using media}

도 1은 종래의 일반적인 활성슬러지 공법의 공정도를 나타낸 것이다.

도 2은 본 발명에 따른 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치의 개략도를 나타낸 것이다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 처리방법에 의해 반응시간에 따라 유기물질의 제거능력을 메디아 충진율 5%, 15%에 대해 나타낸 그래프에 관한 것이다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 처리방법에 의해 반응시간에 따라 암모니아성 질소의 제거능력을 메디아 충진율 5%, 15%에 대해 나타낸 그래프에 관한 것이다.

도 7 및 도 8은 본 발명에서 메디아에 미생물을 식종한 후 휴지기간에 따른 미생물의 활성도를 나타낸 그래프에 관한 것이다.

도 9는 본 발명에서 메디아에 미생물을 식종한 후 휴지기간에 따른 미생물의 중합효소연쇄반응에 기반한 변성 농도 구배 겔 전기영동의 사진에 관한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 침사지 2 : 반응기

3 : 메디아 4 : PLC 레벨제어

5 : 송풍기 6 : 펌프

7 : 레벨 센서

본 발명은 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초기 우수유출수 또는 합류식하수관거 월류수 등에 함유되어 있는 모래 및 부유성 물질을 제거하기 위한 침사지와 생물학적 처리를 위한 반응기 및 반응기의 공기공급 라인으로 구성된 처리장치와 이 장치를 이용하여 비점오염물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 비점오염원(Nonpoint pollution source)은 생활하수, 산업폐수 등과 같이 오염물질이 특정 오염원에서 발생되는 점오염원(point pollution source)과는 달리 주로 비가 올 때 지표면 유출수와 함께 유출되는 오염원으로써, 이러한 비특정 오염원으로부터 배출되는 비점오염물질은 도시지역의 먼지와 쓰레기 또는 지표면에 낙하한 대기오염물질 등과 같은 다양한 오염물질들을 함유하고 있고 있으며, 또한 BOD 오염물질의 함유량이 상당히 높은 편이다.

현재 이러한 비점오염물질은 합류식 하수관거 지역의 경우에는 강우유출수의 일부가 하수관거로 유입 후 하수처리장 등에서 처리되나, 하수관거 용량을 초과하는 경우에는 또다른 비점오염물질인 합류식 하수관거 월류수(Combined Sewer Overflows, CSOs)가 발생하는 등의 문제점이 있다. 분류식 하수관거 지역의 비점오염물질을 함유한 강우유출수는 하천 등 수역으로 직접 유입되고 있는 실정이다. 이와 같은 비점오염물질을 제거하기 방법 및 장치에 관한 기술들이 다양하게 개발되어 대한민국 등록특허 제 443420호(2004. 7. 27 등록)의 비점오염원 제거장치, 제 491867호(2005. 5. 19 등록)의 초기우수의 비점오염물 처리장치, 제 561092호(2006. 3. 8 등록)의 초기유출수의 비점오염물 정화장치 등과 같이 다양한 특허들이 등록되고, 또한 다른 다양한 기술들이 특허출원되어 공개되고 있지만 상기와 같은 특허기술 들은 주된 처리공정이 침전, 흡착 등 물리적인 처리기술이다. 이는 오염물질의 생물학적 분해 처리하는 기술이 아니라, 단순히 물리·화학적 흡착의 개념으로 유기물, 영양물질의 제거 효율은 극히 낮은 편이다. 또한, 해당 저감장치의 기능유지를 위해서는 포집된 오염물질을 정기적으로 제거하고, 포화된 여재의 교체문제가 발생한다. 또한, 이러한 포집된 오염물질을 처리하기 위해서는 2차적인 환경오염 문제가 발생하며, 고가의 유지관리비용이 소요되는 문제점들이 발생되고 있다.

또한 오염물질을 제거하기 위한 종래의 생물학적 처리방법인 활성슬러지 공법은 도 1에 도시된 바와 같이 액상하수(A)는 하수저류조(10)에 유입된 후 모래, 흙 등과 같이 비중이 높은 오염물질을 물리적인 방법에 의해 침강시켜 제거한 후 그 처리수를 폭기조(20)로 이송시킨 후 공기를 불어넣어 포기시키면서 생물학적 처리를 하게 된다. 이때 처리한 처리수를 침전조(30)로 이송시켜 침전조 하부로 가라앉힌 후,상부의 맑은 물은 살균(40)처리한 후 처리수(B)로서 외부로 방류하고, 침전조(30)의 하부에 침전된 슬러지의 일부는 폭기조(20)로 반송시키고, 그 나머지는 잉여슬러지로서 외부로 반출시킨다. 이와 같은 활성슬러지 공정은 생물학적 공정을 통해 유기물을 제거하는 2차처리 및 영양염을 제거하는 고도처리(3차처리)까지 실용화되고 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 활성슬러지 공법은 공정내 미생물의 유지를 위해 고도의 유지관리기술과 넓은 부지면적을 필요로 하고, 잉여슬러지 발생, 반송으로 인한 유지관리비 증가 등의 단점이 있어 강우시 비점오염물질 처리시설로 적용하기에는 한계를 지닌다.

한편, 생물막을 이용한 공정은 메디아(Media)에 부착된 생물막에 의한 생물학적 산화환원반응과 생물여재층에 의한 물리적 여과가 동시에 일어나는 공법이다. 생물막이란 고체표면에 형성된 미생물의 점액질막과 그 함유물을 말하며, 이의 형성은 물리, 화학, 생물학적 현상들이 복합적으로 작용하여 이루어진다. 이러한 작용은 다음과 같이 ① 기질이 액체로부터 고체표면에 전달; ② 미생물이 고체표면으 로 이동; ③ 미생물이 고체표면에 부착; ④ 미생물이 기질을 섭취하고 성장하여 생물막 형성; ⑤ 생물막의 과증식된 미생물은 액체의 흐름에 의한 전단력으로 탈리;와 같이 순차적으로 진행된다. 이러한 생물막을 이용한 공법은 생물반응기 규모가 작아지고, 2차 침전지가 필요 없어 시설비가 저렴하고, 소요 부지면적이 적고, 자동운전이 쉬운 경제적 이점과 함께 처리수질이 우수한 장점이 있어 폐수나 하수의 고도처리에 많이 적용되고 있다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 본 발명은 종래의 점오염원(Point source)의 오염물질을 처리하기 위한 연속적인 흐름에서의 생물막을 이용한 처리기술 개념과 달리 강우시에만 오염물질을 제거하는 회분식의 반응기로서, 비가 오지 않는 평상시에는 강우시 유입되는 빗물을 저수하기 위해 반응기가 비워진 상태로 유지되고 강우에 의한 오염물질이 반응기로 유입될 때, 메디아에 부착된 생물막이 활성도를 유지하여 비점오염물질들을 제거할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 비점오염물질의 생물학적 처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 반응기에 생물학적 처리를 위하여 생물막이 형성된 여재가 충전되어 있고, 그리고 비가 오지 않는 평상시에는 강우시 유입되는 빗물 유입수를 생물학적 처리를 하기 위해 반응기를 비워둔 채로 운영하다가 강우시 즉시 메디아 를 이용한 생물학적 처리에 의한 비점오염물질을 제거할 수 있는 특징이 있다.

따라서, 종래의 물리·화학적 흡착 및 여과 기술이 입자상 물질을 제거하는 것이 주요 목표인데 반해 본 발명은 유입수 중에 용존되어 있는 용존성 물질을 메디아 표면의 미생물에 의해 세포의 합성 및 에너지원으로 활용하여 소모시켜 제거함으로써, 대상 유입수에 함유되어 있는 용존성 물질의 제거 성능이 우수한 것을 특징으로 하는 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

그리고 종래의 처리기술이 흡착 및 포집된 오염물질을 폐기물로 처리함에 따라 2차적인 오염물질이 발생하는데 반해 본 발명은 오염물질을 미생물에 의한 세포의 합성 및 에너지원으로 사용함에 따라 부가적인 오염물질 발생이 억제되고, 난분해성 물질이 메디아의 미생물과 접촉함에 따라, 생물학적 분해가능한 저분자물질로 전환됨에 따라, 오염물질의 생물학적 처리에 따른 2차 오염물질 발생을 최대한 억제하여 수계로 방류되었을 경우, 환경부담을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 하는 비점오염물질의 생물학적 처리장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

또한 본 발명은 일반적으로 메디아의 충전율을 5∼30%(V/V) 적용시킴으로써, 나머지 용적에 대해서는 우수에 대한 저류지 기능 및 공장의 비상저류조로 활용가능하다는 측면에서 뛰어난 실용성을 지닌 것을 특징으로 하는 비점오염물질의 생물학적 처리장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

또한 종래의 물리적 처리기술이 부유물질의 흡착으로 인한 여재의 처리 효율 감소로 인해 빈번한 여재의 교체가 필요한데 반해 본 발명은 여지를 이용한 생물학적 처리를 실시함으로써, 여재에 대한 오염물질의 부하가 걸리지 않아 여재 교체의 필요성이 없고, 또한 2차오염물질의 폐기물 처리비용이 소요되지 않아 처리시설의 유지관리비를 최소화할 수 있는 반영구적인 처리기술인 것을 특징으로 하는 비점오염물질의 생물학적 처리장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 다음과 같다,

본 발명은 비점오염물질의 제거장치에 있어서,

초기 우수유출수의 모래 및 부유성 물질을 제거하기 위한 침사지와;

그리고 생물학적 처리를 위해 생물막이 형성된 메디아가 구비된 반응기; 및

상기 반응기의 하부에 공기를 공급하기 위한 공기공급 라인;

으로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성을 침사지와 반응기로 구분하여 각각의 비점오염원의 처리 대상물질을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 침사지는 비점오염원 중에 함유되어 있는 생물학적 분해가 불가능한 모래, 흙 등과 같은 비중이 높은 물질이 침강 포집하여 제거하기 위해 설치되어진다. 침사지의 형태는 장방형 구조로서, 유입되는 계획 비점오염원 유량과 비교하여 45~90초의 수리학적 체류시간을 가지도록 설계된다.

둘째로 본 발명에 따른 반응기는 본 발명의 주요 핵심 구조로서, 반응기의 내부에 생물막이 형성된 메디아를 설치하고, 이 메디아에 부착된 생물막의 미생물들의 증식을 위해 비점오염원이 함유된 유입수를 처리시에 반응기의 하부로부터 공기를 공급하여 폭기 시키면 반응기 내부에 충진된 메디아의 표면에 형성된 생물막은 공기를 공급함에 따라 반응기 내에는 호기성 미생물이 활성화되면서 유입수 내부에 함유되어 있는 유기물질들을 제거하게 된다. 이때 반응기 내부에 설치하는 메디아의 충전율은 5~30%(V/V)가 바람직하며, 메디아 충전율이 5%(V/V) 미만이 될 경우에는 생물막이 형성되는 메디아 표면적이 부족하여 미생물 수의 부족으로 인해 유입수에 함유되어 있는 유기화합물을 제대로 처리하지 못할 우려가 있고, 메디아 충전율이 30%(V/V)를 초과할 경우에는 유입수에 함유되어 있는 유기물질의 제거 효율은 높아지나 반응기의 처리 용적률이 낮아질 뿐만 아니라 나머지 공간의 빈 용적에 대해서는 우수에 대한 저류지의 기능이 약화 될 우려가 있다.

그리고 상기 반응기 내부에 설치된 메디아는 생물막이 형성된 메디아 층을 잘 통과할 수 있는 구조이면 그 형태를 특별히 한정하지는 않으며, 그 설치 위치도 반응기 내부에 유입된 유입수가 메디아 층을 통과하면서 생물막과 충분히 접촉할 수 있는 적절한 위치에 설치하면 된다.

또한 상기 메디아는 그 표면에 형성된 미생물은 초기에는 일반적인 활성슬러지 공정에서 발견되는 Pseudomonas fluorescens(Acession No. AF094731), uncultured bacterium(Acession No. DQ419742), uncultured soil bacterium (Acession No. DQ702752), uncultured bacterium(Acession No. DQ838095), uncultured proteobacterium(Acession No. DQ105621) 등이 우점종화 경향을 보였으나, 휴지기간이 길어질수록(10일, 15일), bacterium DR2A-7G21(Acession No. AB127860), uncultured bacterium(Acession No. AY711255) 등의 일반적으로 침전물에서 발견되는 것으로 알려진 미생물이 우점화 되어 이루어진 생물막이 형성되어진다. 이때 메디아의 표면에 형성된 생물막의 미생물들은 반응기 내부에 비점오염물질이 15일 정도까지 유입되지 않은 건조된 상태(휴지기간) 동안에도 반응기 내부에서 미생물이 활성이 유지되고, 비점오염물질이 유입될 경우 미생물의 정상적인 활동에 의해 유입수 중에 함유되어 있는 유기물질 및 질소화합물 등을 제거하게 된다.

상기에서 비점오염원에 함유되어 있는 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)는 수계 부영 양화의 원인물질로 최근 하폐수처리장의 규제대상 물질로 방류수질 규제가 강화되고 있으며, 그리고 암모니아성 질소의 제거 메카니즘은 아래와 같은 단계를 거쳐 제거되어진다.

첫째 질산화 단계로써, 호기성 조건에서 NH₄ ⁺-N → NO₂ ^--N →NO₃ ^--N

둘째 탈질 단계로, 혐기성 조건에서 NO₃ ^--N →NO₂ ^--N →N₂O → N₂ gas

의 과정을 거쳐 대기 중으로 방출되는 것으로 알려져 있다.

이와 같이 유기물의 제거가 종속영양미생물에 의해 일어남에 비해서, 질산화는 독립영양미생물에 의해 일어남에 따라, 독립영양미생물의 성장속도가 느려 질산화 정도는 유기물제거의 척도로 이용 가능하다.

그리고 우리나라의 경우, 총질소 규제이기 때문에 질산화 정도가 법적 규제와는 연관성이 별로 없지만 외국의 경우, 질산화를 법적 규제로 채택하는 경우도 있다. 그러나, 생물막 내부 탈질의 개연성이 높고, 수계 방류시, 환경에 대한 부담이 적기 때문에 이러한 질산화 정도는 비점오염물질 처리에 유효하다고 할 수 있다.

또한 본 발명은 주로 초기 강우시에 유입되는 유입수가 도시지역의 먼지와 분진 또는 지표면에 낙하한 대기오염물질 등과 같은 다양한 오염물질들을 함유한 주된 오염원인 초기 강우 유입수를 일정량만 본 발명의 처리장치에 유입시키고, 적정 용적 이상의 추가적인 후기 강우는 초기 강우와는 달리 상대적으로 오염물질이 소량 함유되어 있으므로 적정 용적 이상의 추가적인 강우에 대해서는 우회 흐름을 통해 하천으로 방류할 수 있도록 하기 위하여 침사지 전방에 우회 흐름 방류구를 설치한다.

이하, 본 발명의 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치를 이용하여 비점오염원을 처리하는 공정을 첨부된 도면인 도 2를 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치의 개략도를 나타낸 것이다.

초기 우수유출수 및 합류식하수관거 유출수(CSOs) 등의 비점오염물질이 함유되어 있는 유입수(A)가 먼저 침사지(1) 내에 유입되면, 유입수 내에 함유되어 있는 생물학적 분해가 불가능한 모래, 흙 등과 같은 비중이 높은 물질이 침강 포집하여 제거되어진다.

상기 침사지(1)에서 이송되어 반응기(2) 내부로 유입된 유입수는 반응기 내부에서 적절한 시간 동안 체류하면서 메디아(3)의 표면에 형성된 생물막과 접촉하면서 유입수 중에 함유되어 있는 유기물질 등이 제거되어진다. 이때 유기물질 등을 제거하기 위한 미생물의 활성화를 촉진시키기 위해 송풍기(5)를 이용하여 반응기(2)의 하부 바닥으로부터 메디아(3)의 표면에 형성된 생물막을 향해 공기를 불어넣어 폭기시킨다.

이때 반응기 내부에서 수위 센서(7)(Level Sensor)를 수면위에 띄워 반응기 내부에 유입된 강우 유입수가 메디아 위치까지 도달하는 것을 감지하면, 이를 PLC 레벨제어(4)에 전달하고, 이 PLC 레벨제어(4)의 제어에 의해 송풍기(5)에서 공기가 반응기 내부로 공급되어진다.

그리고 상기 반응기 내부에 유입된 유입수는 생물학적 처리가 완료된 후, 펌프(6)를 이용하여 반응기 내부의 처리수(B, B')를 하천으로 방류하고, 비가 오지 않는 비강우기에는 우수저류조 및 비상저류조로 사용하기 위해 반응기 내부를 비워두게 된다. 이때 반응기 내부에 설치된 메디아의 표면에 형성된 미생물막은 미생물의 활동이 저하되면서 휴지기간을 갖게 되며, 다시 강우가 유입될 경우 강우에 함유되어 있는 유기물질 등을 제거할 수 있도록 미생물의 활동이 활성화된다.

또한, 초기 강우유출수 중에 다량의 오염원이 함유되어 있으므로 초기 강우 유출수의 일정량만 반응기 내에 유입시키고, 초기 강우와는 달리 상대적으로 오염물질이 소량 함유되어 있는 후기 강우가 반응기의 적정 처리능력 이상으로 유입될 경우 우회 흐름을 통해 하천으로 방류할 수 있도록 침사지 전방에 우회 흐름 방류구(C)를 설치한다.

이하 본 발명의 구성을 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예)

1. 반응기의 운전

메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리 능력을 파악하기 위하여 생물막이 부착된 세라믹 메디아(Ceramic Media)를 이용하여 유효용적 5.6L를 가지는 반응기 내부에 메디아 충전율 5%(V/V), 용존산소농도 7 ㎎/ℓ를 유지하면서 실시하면서, 수리학적 체류시간에 따른 오염물질의 제거능력을 측정하였다. 또한 비강우기간을 고려하여 휴지기간은 0일, (1일), 5일, 10일, 15일로 수행하였다. 세라믹 메디아에 미생물을 부착시키기 위해 일반적인 도시하수처리장 활성슬러지에 일반적인 하수 농도의 유입수를 공급하면서 20일 동안 순화되었다.

그리고 반응기의 운전은 배치(Batch) 형태로 운전되었고, 운전시간에 따른 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 및 암모니아성 질소 농도를 측정하고, 휴지기간 동안의 미생물의 활성도(Activity) 측정을 위하여 INT-탈수소효소 활성도 시험(INT-dehydrogenase activity test)을 통하여, 단위시간당 미생물이 사용하는 산소 농도를 측정하였다.

2. 운전 결과

가 유기물의 제거능력

수리학적체류시간(Hydraulic Retention Time, HRT)에 따른 유기물의 제거능력은 첨부된 도면인 도 3(충전율 5%) 및 도 4(충전율 15%)의 도시된 그래프의 내용과 같이 메디아의 표면에 미생물을 식종한 후 (1일 경과), 5일 경과, 10일 경과 및 15일 경과한 후 처리한 각각의 유기물의 제거능력을 합산하여 산출한 평균제거능력은 [표 1](충전율 5%) 및 [표 2](충전율 15%)의 내용과 같다.

[표 1]

(단위 : 중량%)

구분	수리학적 체류시간
	2 hr	4 hr	6 hr	8 hr	10 hr	12 hr
평균제거능력	46	64	76	81	81	82

[표 2]

(단위 : 중량%)

구분	수리학적 체류시간
	3 hr	6 hr	9 hr	12hr	24 hr
평균제거능력	31	49	74	80	83

상기 [표 1] 및 [표 2]의 내용에 따르면, 유기물의 평균제거능력은 반응기 내부에 유입되는 유입수가 반응기 내부에 체류하는 수리학적 체류시간이 길수록 유기물의 평균제거능력이 향상됨을 알 수 있었다. 그리고 도 3 및 도 4에 도시된 그래프의 내용에 따르면, 메디아에 미생물을 식종한 후 휴지기간에 따른 유기물의 제거능력은 수리학적 체류시간(반응시간)이 길수록 유기물의 제거능력이 향상됨을 알 수 있으나, 휴지기간에 따른 유기물의 제거능력을 살펴보면, 유사한 경향을 나타냄을 알 수 있다. 따라서 반응기의 휴지기간과 유기물 제거와의 상관관계는 미미하다. 한편, [표 1] 과 [표 2]를 비교하였을 때, 메디아의 충전율이 높을수록 반드시 유기물의 제거율이 높지는 않은 것으로 나타났다. 따라서 유기물의 제거 측면에서 본다면, [표 1]의 충전율 5%와 수리학적 체류시간 6시간이 경제적인 것으로 나타났다. 이로써 본 발명에 따른 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리 우수성이 증명되었다.

나. 암모니아성 질소의 제거능력

휴지기간에 따른 암모니아성 질소의 제거능력은 첨부된 도면인 도 5(충전율 5%) 및 도 6(충전율 15%)의 도시된 그래프의 내용과 같이 메디아의 표면에 미생물을 식종한 후 (1일 경과), 5일 경과, 10일 경과 및 15일 경과한 후 처리한 각각의 암모니아성 질소의 수리학적 체류시간 8시간에서의 평균제거능력인 [표 3](충전율 5%) 및 수리학적 체류시간 9시간에서의 평균제거능력인 [표 2](충전율 15%)의 내용과 같다.

[표 3]

(단위 : 중량%)

구분	휴지기간
	0일	1일 경과	5일 경과	10일 경과	15일 경과
제거능력	90	60	37	20	13

[표 4]

(단위 : 중량%)

구분	휴지기간
	0일	5일 경과	10일 경과	15일 경과
제거능력	98	97	51	49

상기 [표 2]의 내용에 따르면, 암모니아성 질소의 제거능력은 휴지기간 0일, 1일, 5일, 10일, 15일에 따라 암모니아성 질소의 제거능력(질산화율)은 각각 90, 60, 37, 20, 13%의 경향을 나타내었다. 이는 휴지기간이 유기물 제거에 관여하는 종속영양미생물에는 별 영향을 미치지 못하지만, 암모니아성 질소의 제거에 관여하는 독립영양미생물에는 많은 영향을 미침을 의미한다. 한편, [표 2]와 [표 3]을 비교하면, 충전율 15%일 경우에는 휴지기간이 10일 및 15일이 경과하더라도 각각 51, 49%로 나타나 충전율 5%의 경우보다 매우 우수한 질산화율을 나타내었다. 따라서 암모니아성 질소를 제거하기 위한 경제적이고 우수한 설계인자는 메디아 충전율 15% 및 수리학적 체류시간 9시간으로 나타났다.

다. INT-DHA Test에 의한 미생물의 활성도

미생물의 활성도 측정 결과, 도 7(충전율 5%)과 도 8(충전율 15%)에 도시된 그래프의 내용과 같이 15일의 휴지기간에도 불구하고, 활성도의 변화가 미미하였다. 휴지기간 동안의 평균 활성도는 충전율이 5%일 경우 25 mgO₂/gVSS/day였고, 15%일 경우 22mgO₂/gVSS/day로 나타났다. 이로써 불연속적인 오염물질의 유입이라는 비점오염원의 특성에 따른 메디아를 이용한 생물학적 처리시설의 타당성을 확인하였다.

라. PCR-DGGE에 의한 미생물의 종류 및 우점화 경향

중합효소 연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)에 기반한 변성 농도 구배 겔 전기영동(DGGE: Denatured gradient gel electrophoresis)을 이용하여 메디아에 부착된 미생물의 종류와 우점화 경향을 조사하였다. 16S rDNA(데옥시리보핵산)를 증폭시킬 수 있는 EUB 10F/1400R primer set과 16S rDNA의 V3 지역을 증폭시킬 수 있는 EUB 340F/518R primer set를 이용하여 PCR를 실시하였으며, PCR 산물을 이용해서 DGGE를 실시하였다. 도 9는 휴지기간이 없을 경우(0일), 5일 경과, 10일 경과 및 15일 경과 후의 사진을 보여준다. 도 9의 각각의 미생물에 대한 종류는 [표 5]의 내용과 같다.
[표 5]

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Sample No.	Accession No.	Similarity %	Species	Source
N1	AF094732	91	Pseudomonas fluorescens	-
N2	DQ419742	97	uncultured bacterium	-
N3	DQ792752	97	uncultured soil bacterium	-
N4	AB127860	100	bacterium DR2A-7G21	freshwater sediment
N5	AY711255	100	uncultured bacterium	sediment
N6	DQ838095	97	uncultured bacterium	synthetic space mission wastewater
N7	DQ105621	91	uncultured proteobacterium	activated sludge

상기 [표 5] 및 도 9의 내용에 따르면, 초기에는 일반적인 활성슬러지 공정에서 발견되는 N1, N2, N3, N6, N7인 반면에 휴지기간이 길어질수록(10일, 15일), N4, N5 등의 일반적으로 침전물에서 발견되는 것으로 알려진 미생물이 우점화 되어 이루어진 생물막이 형성되어짐을 알 수 있다.

상기에서 살핀 바와 같이 휴지기간이 유기물 제거에는 별 영향을 미치지는 않지만, 암모니아성 질소의 제거에는 많은 영향을 미친 것을 알 수 있었다. 그러나, 운전시간이 길어짐에 따라 질산화도 상당히 진행된다는 것을 알 수 있었다.

따라서 종래의 비점오염원을 처리하기 위한 장치가 주로 물리적인 처리방법에 의해 주로 비중이 높은 오염물질인 흙 또는 모래 등만을 제거할 수 있었는데 반해 본 발명은 먼저 침사지에서 종래의 방법과 같이 물리적인 처리방법에 의해 비중이 높은 오염물질인 흙 또는 모래 등을 제거한 후 비점오염원에 함유되어 있는 유기물질, 질소화합물 등을 처리할 수 있는 것이 상기의 실시예에 의해서 확인할 수 있었다.

특히 메디아의 표면에 형성시킨 미생물막은 반응기 내부에서 비가 오지 않는 비강우기에는 반응기 내부에 물이 없는 상태에서 15일 정도의 휴지기간을 갖더라도 강우시에 반응기 내부로 유입되는 비점오염원을 정상적으로 처리할 수 있음이 상기의 실시예에 의해서 확인될 수 있었다.

그리고 반응기 내부에 설치하는 메디아 충전율 등을 상향 조정하면 비점오염물질의 처리능력을 상기의 실시예보다 더욱 향상시킬 수 있음이 실험실적 운전 결과 메디아 충전율 5%(V/V)에서 유기물의 76중량% 제거시점은 6시간이었고, 추가적인 실험에서 15%(V/V) 충전율 일 때, 휴지기간이 10일 및 15일 경우의 암모니아성 질소의 약 50중량% 제거시점이 9시간으로 나타나, 메디아의 충전율이 높아질수록, 반응시간은 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

상기에서와 같이 본 발명에 따른 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치의 구성을 상기의 실시예를 중심으로 상세히 설명하였지만 본 발명의 구성이 상기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 및 변형이 가능하다.

종래의 비점오염원을 처리하기 위한 장치가 주로 비중이 높은 오염물질인 흙 또는 모래 등만을 제거하기 위한 물리적인 방법에 의한 처리기술이 주종을 이루고 있다. 이러한 물리적인 처리기술은 유기물 및 영양물질의 제거 효율이 극히 낮아 처리 효율 대비 비용이 높으며, 주로 외국 기술에 의존하고 있는 실정이다. 이에 본 발명에서는 기존의 강우시 비점오염물질 저감을 위한 생물학적 처리공정의 적용시 문제점으로 지적되어 오던 강우시 미생물시스템의 유지 문제, 강우시에만 유입되는 특성으로 인한 수질과 유량의 부하변동 등의 문제점을 해결하기 위해 INT-DHA 실험을 통한 미생물 활성도 유지 및 PCR-DGGE에 의한 미생물의 종류 및 우점화 경향을 실시예를 통해 확인하고 처리공정별 운전인자를 도출하였다. 본 발명은 메디아에 부착된 생물막을 이용하여 비점오염원에 함유되어 있는 유기물질, 질소화합물 등을 제거하기 위하여 생물학적 처리방법을 적용시킨 사례로서, 유입수 중에 용존되어 있는 용존성 물질의 제거 성능이 우수하고, 오염물질의 생물학적 처리에 따른 2차 오염물질 발생을 최대한 억제하여 환경부담을 최소화할 수 있으며, 메디아의 충전율이 설치 현장의 조건에 따라 5∼30%(V/V) 변동, 적용시킬 수 있는 기술이며, 또한 여재에 대한 오염물질의 부하가 걸리지 않아 여재 교체의 필요성이 없는 반영구적인 처리기술인 것이 장점이다. 본 발명은 분류식 하수관거 지역에서의 초기강우 유출수내 비점오염물질 처리, 합류식 하수관거 지역의 월류수의 처리, 상수원이나 댐상류에서 유입되는 비점오염물질의 제거, 공장 등 사업장내 화재, 수질 오염사고시 비상저류조 기능을 복합적으로 가진 비점오염저감시설로 활용이 가능하며, 단지개발 등 다양한 개발사업시 발생되는 비점오염물질 처리와 더불어 우수저류조와의 복합적인 이용, 뛰어난 처리효율로 골프장 등에서의 용수 재이용 등에 적 용이 가능한 활용성이 높은 기술이다.

Claims (4)

1. 비점오염물질의 제거장치에 있어서,

   초기 우수유출수의 모래 및 부유성 물질을 제거하기 위한 침사지와;

   그리고 생물학적 처리를 위해 생물막이 형성된 메디아가 구비된 반응기; 및

   상기 반응기의 하부에 공기를 공급하기 위한 공기공급 라인;

   으로 구성되고,

   상기 침사지는 전방에 우회 흐름 방류구를 설치하고,

   상기 반응기는 생물막이 형성된 메디아의 충전율이 5∼30%(V/V)인 것을 특징으로 하는 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 메디아는 그 표면에 형성된 미생물이 bacterium DR2A-7G21(Acession No. AB127860), uncultured bacterium(Acession No. AY711255)와 같이 일반적으로 침전물에서 발견되는 것으로 알려진 미생물이 우점화 되어 이루어진 생물막으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치.
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