KR100759833B1

KR100759833B1 - 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100759833B1
Application number: KR20060036267A
Authority: KR
Inventors: 최용수; 홍석원; 이상협; 박종훈
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-09-18
Also published as: CN101058459A; CN100595166C

Abstract

본 발명은 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 활성 물질을 내재한 담체는 활성 물질로부터 용출되는 철, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 망간, 실리콘, 알루미늄 등의 필수 영양소가 담체 표면에 형성된 미생물 막에 전달되어 미생물 군집의 활성도를 증진시키는데 매우 유리하다. 따라서 생물학적 방법으로 하수 및 폐수를 보다 효율적으로 처리하는 것이 가능하게 된다. 나아가, 본 발명에 따른 활성 물질로부터 용출되는 알루미늄, 칼슘, 철, 망간 등의 양이온은 처리수 중의 인산염과 결합하여 최종 처리수의 총인 농도를 효과적으로 저감시키는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 활성 물질은 2차 오염의 문제가 없고 천연 재료인 황토 외에 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각, 조개, 굴 등의 패각과 같은 폐기물을 활용함으로써 원재료 자체가 저렴하고 재활용의 측면에서도 매우 경제적이며 특히 환경친화적인 효과를 달성한다.

활성 물질, 미생물, 담체, 황토, 고로슬래그, 정수장슬러지, 난각, 패각

Description

생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법{Active material for biological treatment of sewage and waste water, microbic media containing the active material and method for preparing the same}

도 1은 본 발명에 따른 활성 물질을 내재하는 미생물 담체의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 활성 물질 소성체의 사진이다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 폴리우레탄 재질의 에어 필터용 스펀지를 사용하여 제작한 활성 물질을 내재하는 미생물 담체를 나타내는 사진이다.

도 4는 본 발명의 실험예1에서 실시예 및 비교예 물질의 각각에 대하여 세 번씩 무기 물질의 용출 농도를 측정한 값을 평균하여 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 실험예2에 있어서 시간경과에 따른 인산염 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체에 황토와 각종 무기물질을 공급할 수 있는 폐기물을 원료로 하는 활성 물질을 내재시켜 담체 내의 미생물 성장과 활성도의 증진을 도모할 수 있고 이에 따라 미생물 성장에 용이한 공간과 조건을 제공할 수 있는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현재 생활 하수 및 폐수 처리에 있어서 활성 슬러지법(activated sludge)이 널리 이용되고 있다. 활성 슬러지란 하수 및 폐수 처리장의 생물학적 처리에 이용되는 미생물의 총칭으로서, 상기 활성 슬러지법의 일반적인 공법으로는 BOD 제거를 중심으로 하는 표준 활성슬러지 공법이 있고, 이를 변경시켜 질소 및 인을 동시에 제거하는 생물학적 고도 처리 공법이 있다.

상기 생물학적 고도 처리 공법은 크게 부유 성장식 공법과 부착 성장식 공법으로 구분된다. 상기 부유 성장식 공법은 교반과 폭기를 수행하여 미생물과 하수를 접촉시켜 처리하는 공법이고, 상기 부착 성장식 공법은 미생물이 부착될 수 있는 담체를 이용하는 공법이다.

최근에는 상기 부유 성장식 공법에 이용하기 위한 상기 부착 성장식 공법에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 폭기조에 충전된 미생물 담체는 미생물과의 접촉 표면적을 증가시켜 미생물 부착량을 증대시킴에 따라 결국 수리학적 체류시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 더욱이, 상기 미생물 담체는 기존 처리시설을 대규모로 개조함이 없이도 투입이 가능하므로 최소의 비용으로 처리효율을 향상 시킬 수 있는 장점도 가진다.

이와 같은 미생물 담체는 일반적으로 그 재질에 따라 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리우레탄 등과 같은 유기계와 다공성 제올라이트, 입상 활성탄, 세라믹 등과 같은 무기계로 구분되는데, 현재까지의 담체 개발은 미생물을 다량으로 표면에 부착시키기 위하여 주로 기공률, 비표면적 및 표면 거칠기를 증가하는 방향으로 진행되어 왔다. 이와 관련된 기술로서 활성탄 분말에 의해 미세 기공이 함께 형성되어 스펀지의 비표면적을 증가시키는 기술<대한민국 특허 공개 공보 제2004-0100224호 참조>, 과립 담체의 표면에 미분말체를 피복함으로써 비표면적을 증가시키는 기술<대한민국 특허 공개 공보 제2005-0121494호 참조>, 소성시간과 발포량을 조절하여 넓은 비표면적을 갖고 균일하고 미세한 기공을 형성시킴으로써 미생물의 부착능이 우수한 세라믹 다공성 담체 제조 기술<대한민국 특허 공개 공보 제2004-0068824호 참조> 등이 알려져 있다.

그런데, 종래 기술에서와 같이 미생물 부착량을 증가시키는 경우에 그 부착량이 일정 한계치를 초과하면 미생물 담체로부터 탈착되는 미생물의 양도 역시 증가하게 되므로 처리수의 수질 관리가 어려워진다는 문제점이 있다. 나아가, 미생물의 과다 부착으로 인하여 담체의 폐쇄가 일어날 수 있는 문제점과 함께 용존산소의 적절한 유지를 위하여 폭기에 많은 동력이 소요된다는 문제점도 있다.

한편, 미생물의 성장과 증식을 위해서는 에너지와 세포의 구성 성분이 필요하다. 즉, 미생물의 약 80%는 물과 기타 다양한 고분자(macro-molecule)로 구성되어 있는데, 이 고분자들은 여러 단분자(monomer)에 의하여 만들어진다. 따라서 미 생물의 세포가 생성되기 위해서는 단분자가 만들어져야 하고, 이때 필수적으로 다양한 종류의 영양물질이 요구되며, 필수 영양소의 결핍 또는 불균형은 타 영양소의 농도에 관계없이 미생물의 성장을 제한하게 된다.

상기 미생물들에 필요한 영양물질은 각각 상이하고 그 양도 다르지만 세포가 필요로 하는 영양소에는 크게 비교적 다량(10^-4M 이상)이 필요한 정량 영양소(macro-nutrient)와 소량이 필요한 미량 영양소(micro-nutrient)가 있다.

상기 정량 영양소에는 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 수소(H), 인(P), 황(S), 칼륨(K), 마그네슘(Mg)이 있으며 이중 미생물의 세포 구성에 요구되는 탄소, 질소 및 인 등은 하, 폐수 중에 다량으로 포함되어 있다. 수소는 탄소화합물에서 일차적으로 공급되고 황은 단백질이나 일부 효소생성에 필요한 것으로 (NH₄)₂SO₄와 같은 황산염의 형태나 황을 포함한 아미노산의 형태로 공급된다. 산소는 대기 중으로부터 또는 인위적으로 공기를 주입함으로써 공급된다.

상기 미량 영양소로서 가장 일반적으로 요구되는 미량 원소에는 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn) 등이 있으며, 특정한 성장 조건에서 필요한 미량원소에는 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 염소(Cl), 니켈(Ni), 셀렌(Se) 등이 있다. 또한, 드물게 필요로 하는 미량원소에는 알루미늄(Al), 규소(Si), 붕소(B), 크롬(Cr) 등이 있으며 이들은 아주 소량(10^-6M 이하)으로 공급되어야 하고 10^-4M 이상이 되는 경우에는 독성을 나타낸다.

상기 영양소들에 대하여 보다 상술하면, 상기 칼륨은 모든 미생물에 있어 필요한 영양소로 미생물은 다양한 효소의 대사(특히 단백질 대사)에 있어 이를 필요로 하며, 마그네슘은 리보솜, 세포막 그리고 핵산을 안정화 시키는 기능을 가지므로 다양한 효소의 활동에 이용된다. 한편, 상기 철은 페레독신(ferredoxin)과 시토크롬(cytochrome)에 존재하는 중요한 보조 인자이며 세포 호흡에 주로 이용되고 망간은 조효소로서 효소반응을 활성화시킨다. 상기 칼슘은 미생물 세포벽을 안정화시키고 내생 포자를 안정화시키는 주 역할을 수행한다. 상기 나트륨은 세포 내에는 적고 세포 외 액에 주로 존재하는 것으로서, 삼투압을 바르게 유지하며 몇몇 특정 미생물의 성장에 반드시 필요하다. 상기 규소는 디옥시리보핵산(Deoxyribo Nucleic Acid, DNA)과 이것의 중합효소(polymerase)를 합성하는데 중요한 역할을 한다.

이와 같은 영양소들은 대부분 하수 및 폐수 중에 포함되어 있으나 하수 및 폐수의 특성에 따라 존재하는 농도가 상이하고 어떠한 경우에는 일부 필수적인 영양소의 결핍현상이 나타나기도 하며, 영양소가 부족하게 되는 경우에는 지연기(lag phase; 활발한 세포증식이 일어날 때까지의 시간)가 길어지게 되고 수율이 감소하게 되는 어려움이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 미생물 담체에 있어서 미생물 부착의 양적인 증가를 도모할 뿐만 아니라 미생물에 필요한 필수 영양소를 직접적으로 공급하는 것에 의하여 오염물질 제거에 직접적인 역할을 수행하는 유용 부착 미생물의 활성도를 촉진하여 처리 효율을 크 게 높일 수 있는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 활성 물질로부터 수중의 인산염과 결합할 수 있는 이온을 용출시키는 것을 가능하게 함으로써 처리수 중의 인 농도를 저감하여 하수 및 폐수의 처리 성능을 더욱 향상할 수 있는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 활성 물질을 제조함에 있어서 주로 천연 재료와 폐기물을 재활용함에 의하여 환경친화성이 높고 경제적으로도 우수한 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질로서, 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각 또는 패각 중의 어느 하나 또는 둘 이상과 황토를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질에 의하여 달성된다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체로서, 상기 활성 물질이 상기 담체에 내재 되는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체에 의하여 달성된다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법으로서, 활성 물질의 원료로서, 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각 또는 패각 중의 어느 하나 또는 둘 이상 및 황토를 제공하는 단계(S1); 상기 활성 물질 원료로부터 분말 입자를 선별 및 분리하는 단계(S2); 상기 분말 입자를 배합하고 물과 혼합하는 단계(S4); 상기 혼합물을 원하는 형상으로 성형하는 단계(S5); 상기 성형체를 소성하는 단계(S6); 및 상기 소성체를 담체 내에 내재시켜 미생물 담체를 제조하는 단계(S7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법에 의하여 달성된다.

상기 S1 단계에서는 상기 고로슬래그 및 난각을 분쇄하는 단계(S1-1)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 S1 단계에서는 상기 정수장 슬러지를 건조하는 단계(S1-2)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 S2 단계에서는 상기 원료를 각각 200~250 매시의 스크린을 통과시켜 분말 입자를 선별 및 분리하는 것이 바람직하고, 특히 425 ㎛의 분말 입자를 선별하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 방법은 상기 정수장 슬러지를 제외하고 상기 분말 입자를 세척 한 후 건조하는 단계(S3)를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 건조는 105℃에서 12 시간 이상 건조를 수행하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 S4 단계는, 상기 황토, 고로슬래그, 정수장 슬러지 및 난각이 포함되는 경우, 그 무게비가 각각 40~60%, 15~25%, 15~25% 및 5~15%인 것이 되도록 배합하는 것이 바람직하며, 특히 상기 난각은 10%가 되도록 배합하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 S4 단계는 상기 배합된 분말 입자에 대하여 물을 무게비로 5~20%로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 S5 단계는 상기 성형 시 지름 10~20 mm 내외의 구 형태로 성형하는 것이 바람직하다.

상기 S6 단계는 900~1100℃에서 소성하는 것이 바람직하다.

상기 S7 단계는 사각 또는 원형 등의 일정한 틀 내부에 상기 소성체를 복수 개 넣고 그 외부에 섬유 재질을 덧씌워서 담체를 제조하는 것이 바람직하고, 이때 상기 섬유 재질은 부직포인 것이 바람직하다.

상기 S7 단계는 스펀지의 내부에 상기 소성체를 복수 개 넣어 담체를 제조하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성 물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 미생물 성장에 필요한 원소로서 하수나 폐수에 충분히 포함되어 있는 질소나 인 이외에 폐수의 특성에 따라 함량 편차가 심하거나 심지어 거의 함유되어 있지 않아 부족하기 쉬운 영양소를 보충할 수 있도록, 상기 영양소가 용출 가능한 활성 물질을 미생물 담체에 내재시킴으로써 담체 표면에 부착된 미생물이 이로부터 용출되는 영양소를 직접적으로 섭취하게 하여 필요 영양소의 보충을 유도함으로써 미생물의 성장과 활성도의 촉진을 가능하게 한다. 이에 따라 미생물이 다량으로 부착 성장하게 되는 담체 자체의 역할에 더하여 각종 호기성 및 통성 혐기성 미생물의 성장 및 활성도를 높여 처리효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이, 용출되는 알루미늄, 칼슘, 철, 마그네슘 등의 이온은 수중의 인산염과 결합하므로 하수 및 폐수의 고도처리 성능을 더욱 높일 수 있다.

본 발명에서 사용되는 상기 활성 물질은 폐기물들인 고로슬래그, 정수장 슬러지와 난각(egg-shell), 조개, 굴 등의 패각 기타 이와 균등한 재료로부터 선택된 하나 이상과 천연 재료인 항토가 혼합된 것이다. 이와 같이 활성 물질로서 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각, 조개나 굴과 같은 패각 등의 폐기물을 사용하고 천연 재료인 황토를 사용하는 것으로부터 환경친화성을 높이고 또한 생산 원가를 낮추어 경제적인 측면을 동시에 만족시킬 수 있다.

상기 활성 물질을 각각 상술하면, 상기 천연 재료인 황토는 지표의 약 10%를 덮고 있고 주로 실트 크기의 지름 0.002∼0.005 mm인 입자로 이루어진 퇴적물로서 다량의 탄산칼슘(CaCO₃)을 가지고 있고, 기타 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 철분, 마그네슘, 나트륨, 칼리 등으로 구성되어 있다(한국의 황토의 구성 성분은 지역에 따라 다소 차이는 있으나 일반적으로 규소가 48%로 가장 많고 알루미늄 35%, 철 11%, 마그네슘 6% 등이 포함된다).

상기 탄산칼슘에 의해 황토는 쉽게 부서지지 않는 점력을 지니게 되며 물을 가하면 찰흙으로 변하는 성질이 있는데, 본 발명에서는 상기와 같이 물을 가하면 찰흙으로 변하는 황토의 성질을 이용하여 미생물의 필수 영양소로 이용되는 다종 다량의 무기물질이 포함되어 있는 폐기물들인 고로슬래그, 정수장 슬러지 및 난각, 조개, 굴 등의 패각을 효과적으로 결합시키도록 한다.

상기 고로슬래그는 시멘트 원료, 콘크리트용 골재, 토목용, 규산질 비료 등으로 재활용되는 폐기물 재료로서, 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만든 과정에서 발생(선철 1톤당 500∼1,000kg이 발생)한다. 이는 철 이외의 불순물이 모인 것으로서 통상적으로 실리카 30~36%, 알루미나 12~18%, 산화철(Fe₂O₃) 0.25~0.35%, 산화칼슘(CaO) 38~45%, 산화마그네슘(MgO) 10.0% 이하, 산화황(SO₃) 4.0% 이하의 조성을 가진다.

상기 정수장 슬러지는 점토계의 무기질이 그 주된 성분으로서, 하수의 슬러지와 같이 부패성을 가진 악질의 것이 아니라, 급속여과법을 사용하는 정수장의 슬러지이다. 이에는 수원 중에 원래부터 존재하던 점토입자와 응집제로 주로 사용되는 알루미늄이 다량으로 함유되어 있다. 상기 정수장 슬러지의 화학적 조성은 유기물 함량이 약 6~30%, 실리카 30~50%, 알루미나 20~35%, 산화철 4~6%, 나머지 기타 미량 금속으로 이루어져 있다. 이중 유기물은 800℃ 이상의 소성 과정에서 공극을 형성하는 데 기여한다.

정수 처리 과정에서 발생 되는 슬러지는 하수처리에 비하여 매우 적은 량이 발생하므로 과거에는 정수장에서 발생한 부산물 대부분이 근처 하천에 직접 배출되어 왔으나, 정수시설의 대형화와 하천유량의 감소로 이러한 방류 처분은 더 이상 어려우며 또한 환경에 대한 규제가 강화되면서 지표수에 슬러지를 직접 배출하거나 토지에 투기한다는 것은 이미 금지되어 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 정수장 슬러지를 다량으로 효과적으로 처리하는 것이 가능하게 된다.

상기 난각(달걀 껍질)은 그 조성의 약 93%가 탄산칼슘이고, 5%는 유기물이며, 1%는 탄산마그네슘(MgCO₃), 나머지 1%는 인산칼슘(Ca₃(PO₄)₂)으로 되어 있다. 상기 난각은 650℃에서 소성 반응이 일어나기 시작하고 780℃ 내외에서 아래의 반응을 통하여 소성 반응이 완결된다.

상기 굴, 조개 등의 패각에는 특히 고농도의 칼슘 이온이 함유되어 있고, 상기 칼슘 이온은 인산 이온의 침전 반응이 일어나기 때문에 매우 효과적인 화학 침전제이므로 상기 굴, 조개 등의 패각을 함께 이용하는 것도 바람직하다.

이상 설명한 바와 같은 활성 물질은 미생물의 성장 및 증식과정에서 요구되는 철, 망간, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 알루미늄, 규소 등의 필수 영양소를 제공하고, 그뿐만 아니라 용출된 알루미늄, 칼슘, 철, 마그네슘 등의 이온은 인산염과 결합함으로써 하수 및 폐수 중의 인 농도를 저감시키는 역할을 한다. 다음 반응식들은 해당 용출 이온들이 인산염과 결합하여 인 농도를 저감하는 것을 나타내는 것이다.

Al³ ⁺ + PO₄ ³ ^- → Al(PO₄)

3Ca² ⁺ + 2(PO₄ ³ ^-) → Ca₃(PO₄)₂

Fe³ ⁺ + PO₄ ³ ^- → Fe(PO₄)

3Mg² ⁺ + 2(PO₄ ³ ^-) → Mg₃(PO₄)₂

이하에서는 본 발명에 따른 활성 물질을 내재하는 미생물 담체의 제조 과정을 상술한다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 미생물 담체의 제조 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 활성 물질 소성체의 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 도 2와 같은 활성 물질을 제조하고자, 먼저, 황토, 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각, 패각의 활성 물질 원료를 제공한다(S1).

이 중 고로슬래그와 난각은 일정한 입도를 가지는 것을 선별하기 위하여 분쇄시킨다(S1-1). 한편, 정수장 슬러지는 그 자체가 수분을 함유하고 있어 이를 제거하는 건조 단계가 필요하다(S1-2).

상기 과정을 통하여 준비된 원료들을 각각 200~250 매시(mesh)의 스크린을 통과시켜 각 재료들의 분말입자를 선별, 분리하도록 한다(S2).

상기 과정에서 425 ㎛ 내외의 분말 입자를 선별하도록 하는 것이 미생물 활성 물질의 균일화 및 성형의 용이성을 확보하는데 더욱 바람직하다.

상술하면, 고로슬래그와 난각 또는 패각을 그대로 사용하면 활성 물질의 제조과정에서 성형이 용이하지 못할 뿐만 아니라 용출되어 나오는 영양소의 양도 불 규칙적이거나 감소하게 된다. 따라서 각각의 준비된 물질을 매시 스크린을 이용하여 상기한 일정 크기의 입자를 선별하도록 한다.

상기 분말 입자(정수장 슬러지는 제외)는 세척 후 105℃에서 12시간 이상 건조한다(S3). 불순물 제거 및 정확한 중량의 측정을 위하여 세척 후 상기 분말 입자를 105℃에서 12시간 이상 건조하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 황토, 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각을 포함하는 경우에 이들은 무게비로 각각 40~60%, 15~25%, 15~25%, 및 5~15%(바람직하게는 10%)로 배합하는 것이 바람직하고, 배합된 것에 대하여 물은 무게비로 5~20%(바람직하게는 15%)가 되도록 첨가하여 점성 혼합물을 제조하는 것이 바람직하다(S4). 이때, 물의 비율을 5% 미만으로 첨가할 경우, 원하는 모양 예를 들어 구형 형상이나 크기의 활성 물질의 성형이 원활히 이루어지지 않으며, 물의 비율이 20%를 초과하면 소성 전 또는 그 과정에서 성형물의 형태가 유지되기 어렵다.

이 후, 일정 크기, 즉 지름 10~20 mm 내외의 구 형태로 성형하고(S5), 마지막으로 900~1100℃에서 소성하도록 한다(S6). 본 발명에 따른 활성 물질은 그 소성 과정이 중요한데, 이 과정에서 탄소화합물은 완전 연소되고 타르나 휘발분 등 비탄소 성분도 제거되어 필요한 무기물질인 영양소만 남기 때문이다. 소성 온도가 상기 범위보다 낮을 경우에는 강도가 떨어져 수중에서 쉽게 부서지거나 풀어지는 현상이 나타나므로 비효율적이다. 반면, 소성 온도가 상기 범위보다 높을 경우에는 용융현상에 기인하여 용출되는 영양소의 양이 급격히 감소하게 된다.

이어서 담체를 제조하고자 사각 또는 원형 등의 일정한 틀 내부에 활성 물질 의 소성체를 복수 개 넣고 외부를 부직포와 같은 비교적 높은 기공률을 가지는 섬유재질을 덧씌우도록 한다.

한편, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 폴리우레탄 재질의 에어 필터용 스펀지를 사용하여 제작한 활성 물질을 내재하는 담체의 사진이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 표면에서 내부까지 공극이 열려 있으며 각 공극은 서로 연결되어 있는 사각 또는 원형 등의 일정한 형태를 가지는 스펀지의 내부에 활성 물질의 소성체를 복수 개 넣어 담체를 제조하는 것도 가능하다(S7). 여기서, 사용된 에어 필터용 스펀지는 내외부의 공극이 서로 연결되어 있어 유체나 기체의 흐름에 지장을 주지 않아 본 발명에 따른 활성 물질로부터 용출되는 철, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 망간, 실리콘, 알루미늄 등의 필수 영양소가 담체 표면에 형성된 미생물 막에 전달되어 미생물 군집의 활성도를 증진시키는데 매우 적합하다.

상기 스펀지는 하수 및 폐수의 폭기 강도에 의한 부식이나 변형이 없도록 적절한 강도를 가지는 것으로서, 공극이 서로 연결되어 있고 미생물이 정착, 성장하기에 충분한 표면적을 제공할 수 있다. 그뿐만 아니라, 그 두께가 특히 3~5cm 정도인 경우, 담체의 외부와 내부에서 용존산소의 농도 차가 발생하여 외부는 호기성 그리고 내부는 무산소 조건이 공간적으로 형성되어 구간에 따라 우점종 미생물이 상이하게 됨에 따라 담체의 외부에서는 암모니아성 질소의 산화가 내부에서는 질산성 질소의 탈질화가 유도되어 한 반응조에서 질소의 제거가 이루어진다는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.

<무기 물질의 용출 양 측정 실험 - 실험예1>

본 실험에서는 활성 물질로부터 용출되는 무기물질의 양을 측정하였다.

먼저 실시예의 활성 물질로서, 황토, 고로슬래그, 정수 슬러지 및 난각을 선택하였다. 그 배합 비율을 각각 무게비로 50%, 20%, 20%, 10%로 하였고, 배합된 것에 대하여 물은 무게비로 15%로 혼합하여 지름 10mm 내외의 성형체를 제조하였으며, 마지막으로 950℃에서 소성 시켰다. 한편, 비교예로서 황토만을 이용하여 실시예와 동일한 방법으로 제조 및 소성 하였고, 크기 및 형태도 동일하게 하였다.

상기 실시예 및 비교예 각각의 물질로부터 용출되는 대표적인 필수 영양소, 즉 철, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 망간, 실리콘, 알루미늄 등의 농도를 측정하고자 상기 실시예 및 비교예의 각 물질들을 삼각 플라스크에 한 개씩 투입한 후 200 mL의 증류수를 투입하였다. 상기 삼각 플라스크는 각각 3개씩 총 6개를 준비하였다. 이들을 25℃에서 24시간 동안 교반시키고 상징액을 여과한 후 용출된 철, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 망간, 실리콘, 알루미늄 등의 농도를 Inductively Coupled Plasma(ICP) 분석을 실시하여 측정하였다. 사용한 기기는 Perkin Elmer Instruments사의 Optima 2000DV이었다.

도 4에서 알 수 있듯이, 황토, 고로슬래그, 정수 슬러지 및 난각으로 구성된 활성 물질로 이루어진 물질로부터 황토로만 구성된 경우와 대비하여 낮게는 2배에서 높게는 4배 이상의 각 원소들이 용출되어 나오는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 원소들은 하수 및 폐수의 생물학적 처리과정에서 주된 역할을 하는 것으로서 미생물들의 성장에 용이하게 사용되어 활성도를 높일 뿐만 아니라, 담체 외부에 미생물이 효과적으로 부착되어 생물막의 형성을 향상시키게 되는 것이다.

<인 제거 효율 실험 - 실험예2>

본 실험에서는 인 제거 효율을 비교 평가하였다.

실험방법으로서, 인산염(PO₄ ³ ^--P) 농도가 25mg/L인 용액을 제조하고 삼각 플라스크에 상기 실험예1에서 사용하였던 것과 동일한 실시예 및 비교예의 물질들을 첨가한 후 72시간 동안 200rpm으로 교반시키면서 일정시간 경과 후 상징액을 채취하여 여과하고, 인산염의 잔류 농도를 이온 크로마토그래피(Ion chromatography)법으로 분석하였다.

도 5에 나타난 바와 같이, 실시예의 물질의 경우 실험 시작 후 지속적으로 인산염의 농도가 감소 되는 경향을 보여주었다. 72시간 후에 분석한 인삼염의 농도 는 3.28mg/L로 나타나 그 제거효율이 86.9%로 측정되었다. 이는 실시예의 물질의 활성 물질로부터 용출되는 알루미늄, 칼슘, 철, 마그네슘 등의 2가 또는 3가 양이온 물질이 수중의 인산염과 결합하여 농도를 저감시켰기 때문이다.

반면, 황토만이 포함된 비교예의 경우에도 인산염의 농도는 감소되는 경향을 보여주었으나, 실시예의 경우에 비하면 그 정도가 미미한 것으로 나타났다. 즉, 비교예의 단순 황토의 경우 72시간 후에 분석한 인산염의 농도는 15.6mg/L로 나타나 그 제거효율이 37.6%로 측정되었으며 이것은 실시예의 활성 물질의 경우에 비해 약 50% 정도 저하된 수치였다.

요컨대, 비록 황토에도 알루미늄, 칼슘, 철, 마그네슘 등과 같이 인산염과 결합할 수 있는 양이온은 포함되어 있지만, 본 발명에 따른 활성 물질에 비해 용출될 수 있는 양이 적어 그 제거효율이 그다지 높지 않다는 결론을 얻을 수 있었다. 따라서, 본 발명에 의한 활성 물질 및 이를 내재하는 담체는 처리수 중의 인산염의 제거에도 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

<처리 효율 측정 실험 - 실험예3>

본 실험에서는 본 발명의 활성 물질을 내재한 담체의 처리 효율을 측정하였다.

이를 위하여 내외부의 공극이 서로 연결되어 있는 에어 필터용 스펀지에 상기 실험예들에서 사용된 것과 같은 활성 물질을 내재시킨 담체를 제조하였다. 상기 활성 물질이 내재된 담체가 충전된 반응기("R-2")와 단지 스펀지 담체만이 충전된 반응기("R-1")를 동일한 조건에서 운전하였다. 상기 반응기는 지름이 250mm이고 높 이가 550mm인 원통형으로서 아크릴 재질로 제조하였으며 총 유효용적은 약 13L이었다. 한편, 본 실험에 있어서 수리학적 체류시간(HRT)과 고형물 체류시간(SRT)은 각각 6시간과 25일로 하였으며 이러한 운전 조건은 각 반응 조에서 모두 동일하게 적용되도록 하였다. 반응기의 하부는 혐기/무산소 조건으로 조성하였으며 이 부분의 유효용적은 총 반응조 유효용적의 약 35% 정도가 되도록 하였고 상부는 공기를 에어펌프를 이용하여 주입시키면서 호기성 조건으로 유지시켰으며 이 부분은 총 반응조 유효용적의 65%를 차지하도록 하였다. 한편, 생물 반응조 이외에 침전조를 설치하여 슬러지의 고액분리를 유도한 후 처리수를 배출하였다. 이때, 침전조 하부로부터 생물 반응조 하단의 혐기/무산소 부분으로 고액분리된 슬러지를 반송 펌프를 이용하여 유입시켰으며 반송율은 유입수 대비 100%로 하였다.

표 1 내지 3은 상기 실시예의 활성 물질 내재형 담체 및 비교예의 스펀지 담체를 반응조에 각각 충전시켜서 약 150일 동안 운전한 본 실험예3에 있어서, 유입수 및 각 반응기 처리수의 수질을 분석한 결과를 각각 나타내는 것이다.

항목	유입수
항목	범위(mg/L)	평균(mg/L)
SS	9~131	80
TCOD_Cr	95.9~614	297
SCOD_Cr	17.9~491	200
TKN	34.3~56.6	45.5
NH₃-N	16.9~32.5	24.1
TN	34.3~72.3	47.6
TP	1.1~17.6	5.48

항목	R-1 처리수
항목	범위(mg/L)	평균(mg/L)	제거율(%)
SS	0.5~28	10	87.5
TCOD_Cr	13.4~166	39.3	86.8
SCOD_Cr	1.9~59.7	25.4	87.3
TKN	3.0~25.3	8.38	81.6
NH₃-N	0~8.6	3.27	86.4
TN	4.5~36.2	16.8	64.7
TP	0.1~10.8	2.62	52.2

항목	R-2 처리수
항목	범위(mg/L)	평균(mg/L)	제거율(%)
SS	0~10	5	93.8
TCOD_Cr	13.4~56.7	27.7	90.7
SCOD_Cr	4.7~38.8	17.3	91.4
TKN	2.3~17	6.89	84.9
NH₃-N	0~6.3	2.15	91.1
TN	4.1~22.1	13.5	71.6
TP	0~2.7	0.58	89.4

표 1 내지 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 활성 물질이 내재된 스펀지 담체를 충전한 R-2 반응기의 처리수 수질은 단지 스펀지 담체를 충전한 R-1 반응기의 처리수 수질에 비하여 모든 수질분석 항목에서 향상된 제거효율을 보여주었다.

즉, 처리수 중의 오염물질 농도를 기준으로 보면, R-1 처리수의 고형물(SS) 농도는 약 100%, 용존성 유기물질(Soluble COD) 농도는 약 50%, 암모니아성 질소(NH₃-N) 농도는 약 50%, 그리고 총 질소(TN) 농도는 약 25% 정도 R-2 처리수에 비하여 높게 분석되었다.

이와 같은 처리 효율의 향상은 스펀지 담체 내부에 내재된 활성 물질이 미량의 필수 영양소를 지속적으로 오염물질 제거에 관여하는 미생물들에게 공급함으로써 전체적인 미생물 군집의 활성도를 향상시키는 것에 기인한다.

한편, 총 인(TP)의 경우를 살펴보면, R-2 처리수의 제거효율은 89.4%로 나타난 반면 R-1 처리수에서는 52.2%로 매우 저조하게 나타났다. 이는 일반적으로 인의 생물학적 고도처리방법인 방출과 과잉섭취 기작이 적용되지 않는 표준 활성 슬러지법에서 얻어지는 제거효율과 유사한 수치이다.

또한, 처리수 중의 TP 농도를 기준으로 보면, R-2 처리수의 경우 평균 0.58 mg/L로 분석되어 R-1 처리수의 2.62 mg/L에 비하여 매우 효율적으로 처리된 것을 알 수 있었다. 이는 활성 물질로부터 지속적으로 용출되는 알루미늄, 칼슘, 철, 마그네슘 등의 양이온이 인산염과 결합하여 침전되고 최종적으로 잉여 슬러지 폐기와 함께 제거되기 때문이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 활성 물질 및 이를 내재한 담체는 하수 및 폐수의 처리과정에서 직접적으로 미생물의 활성도를 증진시켜 오염물질의 제거효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 위에서 언급한 바와 같이 양이온과 인산염과의 화학적 결합을 통하여 총 인의 제거효율을 획기적으로 증가시킴을 명확히 확인할 수 있었다.

본 발명에 따른 활성 물질 내재 담체는 활성 물질로부터 용출되는 철, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 망간, 실리콘, 알루미늄 등의 필수 영양소가 담체 표면에 형성된 미생물 막에 전달되어 미생물 군집의 활성도를 증진시키는데 매우 유리하다. 따라서 생물학적 방법으로 하수 및 폐수를 보다 효율적으로 처리하는 것이 가능하게 된다.

나아가, 본 발명에 따른 활성 물질로부터 용출되는 알루미늄, 칼슘, 철, 마그네슘 등의 양이온은 처리수 중의 인산염과 결합하여 최종 처리수의 총인 농도를 효과적으로 저감시키는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 활성 물질은 2차 오염의 문제가 없고 천연 재료인 황토 외에 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각, 조개나 굴 등의 패각과 같은 폐기물을 활용함으로써 원재료 자체가 저렴하고 재활용의 측면에서도 매우 경제적이며 특히 환경친화적인 효과를 달성한다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims

생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질로서,

고로 슬래그 15~25%, 정수장 슬러지 15~25%, 난각 5~15% 또는 패각 5~15% 중의 어느 하나 또는 둘 이상과 황토 40~60%를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질.
생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체로서,

제 1 항의 활성 물질이 담체에 내재 되는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체.
생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법으로서,

활성 물질의 원료로서, 고로슬래그, 정수장 슬러지, 난각 또는 패각 중의 어느 하나 또는 둘 이상 및 황토를 제공하는 단계(S1);

상기 활성 물질 원료로부터 분말 입자를 선별 및 분리하는 단계(S2);

상기 황토, 고로슬래그, 정수장 슬러지 및 난각이 포함되는 경우, 그 무게비가 각각 40~60%, 15~25%, 15~25% 및 5~15%가 되도록 분말 입자를 배합하고 물과 혼합하는 단계(S4);

상기 혼합물을 원하는 형상으로 성형하는 단계(S5);

상기 성형체를 소성하는 단계(S6); 및

상기 소성체를 담체 내에 내재시켜 미생물 담체를 제조하는 단계(S7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S1 단계에서 상기 고로슬래그 및 난각을 분쇄하는 단계(S1-1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S1 단계에서 상기 정수장 슬러지를 건조하는 단계(S1-2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S2 단계에서 상기 원료를 각각 200~250 매시의 스크린을 통과시켜 분말 입자를 선별 및 분리하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 S2 단계에서 425 ㎛의 분말 입자를 선별하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 방법은 상기 정수장 슬러지를 제외하고 상기 분말 입자를 세척 한 후 건조하는 단계(S3)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 건조는 105℃에서 12 시간 이상 건조를 수행하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
삭제
제 3 항에 있어서,

상기 S4 단계에서는, 상기 난각이 10%가 되도록 배합하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S4 단계는 상기 배합된 분말 입자에 대하여 물을 무게비로 5~20%로 혼 합하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S5 단계는 상기 성형 시 지름 10~20 mm 내외의 구 형태로 성형하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S6 단계는 900~1100℃에서 소성하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S7 단계는 사각 또는 원형 등의 일정한 틀 내부에 상기 소성체를 복수 개 넣고 그 외부에 섬유 재질을 덧씌워서 담체를 제조하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 섬유 재질은 부직포인 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 S7 단계는 스펀지의 내부에 상기 소성체를 복수 개 넣어 담체를 제조하는 것을 특징으로 하는 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 미생물 담체의 제조 방법.