KR100804624B1 - 입상화된 메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소의 제거 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생물학적으로 질소 및 인을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 하수처리장의 혐기성 소화가스에 함유된 메탄가스나 또는 매립장에서 발생되는 메탄가스 등 메탄을 탄소원으로 하여 자라는 메탄산화 박테리아를 이용하여 생물학적으로 질소 및 인을 동시에 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 메탄산화 박테리아를 입상화시켜 우점종화 시킴으로서 질소 및 인의 제거효율을 높일 수 있었다. 또한, 입상화 생물반응조내의 메탄가스 및 산소는 반송수에 용존시켜 순환하고, 가스가 고갈되어 감압된 후에는 다시 재투입하는 간헐가스주입방식을 취함으로서 배기가스내의 메탄함량을 대폭 감소시킬 수 있었다. 또한, 입상화 생물반응조에서 생성된 메탄올 등과 같은 유기탄소는 다시 무산소 활성슬러지 공정의 탄소원으로 활용함으로서 질소의 제거를 더욱 향상시킬 수 있었다.
메탄산화 박테리아, 입상화, 질소, 인

Description

입상화된 메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소의 제거 방법 및 이를 위한 장치{Biological phosphorus and nitrogen removal methods using the granulated methan-oxidizing bacteria and apparatus therefor}
도 1은 입상화된 메탄산화 박테리아를 이용하여 생물학적으로 인 및 질소를 처리하기 위한, 본 발명의 처리 장치를 도시한 도면.
도 2는 중공사 합성 멤브레인 생물담체가 설치된 입상화 생물반응조 부분을 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101: 산소저장 탱크 102: 메탄저장 탱크
103, 104: 공급밸브 105: 혼합탱크
201: 생물반응조 가스홀더 202: 입상화 생물반응조
203: 유입수 펌프 204: 유입수
205: 반송수 206: 반송수 펌프
207: 반송수 분사노즐 208: 입상화조 교반기
209: 입상 처리수 210: 혼합가스 밸브
301: 무산소조 교반기 302: 무산소조
303: 최종 처리수
401: 중공사 합성 멤브레인 생물담체
402: 중공사 생물담체 처리수
본 발명은 생물학적으로 질소 및 인을 제거하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하수처리장의 혐기성 소화가스에 함유된 메탄가스나 또는 매립장에서 발생되는 메탄가스 등의 메탄을 탄소원으로 하여 자라는 메탄산화 박테리아를 입상화시켜 생물학적으로 질소 및 인을 동시에 제거하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 부유미생물에 의한 생물학적 인, 질소 제거 장치는 세포내의 인을 방출하는 과정인 혐기조; 질산성 또는 아질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거하는 무산소조; 유기물 제거 및 질소성분의 산화와 혐기조에서 방출된 인을 과잉으로 섭취하는 역할을 하는 폭기조; 및 부유미생물을 침전시켜 처리수와 미생물을 분리하는 침전조 등으로 구성되어 있다. 이러한 장치로 인을 제거하기 위해서 혐기조 슬러지는 무산소조를 거친 후 폭기조로 유입되야 하고, 폭기조 슬러지는 다시 혐기조로 반송되어 혐기과정과 폭기과정이 반복되어야 한다. 또한, 질소를 제거하기 위해서 슬러지에 대해 다시 무산소 과정과 폭기과정을 반복하여야 한다는 번거로움이 있었다.
또한, 인 및 질산성 질소제거를 위한 반응조인 혐기 및 무산조에서 인의 방출 및 탈질이 원활히 진행되기 위해서는, 유입수의 BOD(biological oxygen demand, 생물학적 산소요구량) 또는 COD(chemical oxygen demand, 화학적 산소요구량) 등과 같은 유기물의 농도가 높아야 한다. 유입수의 유기물 농도가 낮거나 부족할 경우에는 폭기과정 이후에 후탈질 반응조를 추가로 설치하여야 하고, 유기탄소원 보충원으로 메탄올이나 아세트산을 주입하여야 하며, 메탄올 및 아세트산이 후탈질 과정에서 미분해시에는 추가로 후폭기 과정을 수행하여 완전분해시켜야 한다. 따라서, 유입수의 탄소원이 부족할 경우 후탈질조 및 후폭기조 등과 같은 추가시설비와 고가인 메탄올 또는 아세트산의 약품비가 추가로 요구된다는 문제점이 있기 때문에 메탄올이나 아세트산을 대체할 새로운 탄소원이 필요한 실정이다.
한편, 메탄가스는 유기성 폐기물 매립장이나, 하수처리장의 혐기성 슬러지 소화조에서 발생되는 가스로서, 지구온난화 현상의 원인가스로 취급되어 통상 대기중에서 태워버리고 있다. 따라서, 메탄가스는 질소제거를 위한 매우 저렴한 대체 탄소원이라고 할 수 있다.
메탄을 탄소원으로 이용하기 위하여 공기와 함께 호기성 반응조인 폭기조에 주입하면 메탄산화 박테리아가 서식하게 되고, 메탄산화 박테리아는 다음의 단계에 걸쳐서 반응을 진행하게 된다.
1) 첫 번째 단계에서는 메타노트로프(methanotrophs)박테리아에 의해 주입된 메탄을 수중의 용존산소를 이용하여 메탄올 등과 같은 유기물질로 전화시키고,
2) 두 번째 단계에서는 상기 생성된 메탄올을 탄소원으로 이용하여 메틸로트로프(methylotrophs) 박테리아에 의해 수중의 질산성 질소를 질소가스로 환원시키는 과정이 진행된다.
상기와 같은 호기성 환경에서 성장하는 메탄산화 박테리아의 특성을 이용하여 질소제거율 향상을 위한 통상적인 방법, 즉 부유미생물을 이용하는 활성슬러지 공법에서는 유입폐수와 공기 그리고 메탄가스를 폭기조에 직접주입하며, 부착미생물을 이용하는 생물메디아에서는 반응조 하부에서 유입폐수, 공기, 메탄가스를 동시에 직접 주입한다. 따라서, 메탄산화 박테리아를 이용한 종래의 질소 및 인 제거 방법에서는, BOD, COD 등과 같은 유기물제거 박테리아, 암모니아성 질소를 산화하는 질산화 박테리아가 혼재하는 가운데 메탄산화 박테리아가 서식하여 메탄산화 박테리아가 우점종화 되기 어려웠다.
또한, 유기물산화 박테리아가 메탄산화 박테리아보다 성장속도가 빠르기 때문에 메탄산화 박테리아에 의해 생성된 메탄올 등은 유기물산화 박테리아가 먼저 소모하여 메틸로트로프 박테리아에 의한 질소제거효율이 매우 낮았다. 또한, 메탄가스 주입 시 생성되는 메탄산화 박테리아는 폴리사카라이드(extra polysaccharide : EPS)와 같은 끈적끈적한 젤라틴 물질을 통상의 부유성 또는 부착성 박테리아보다 10배 이상으로 많이 내놓기 때문에, 자갈이나, 세라믹 등과 같은 생물담체를 사용할 경우 담체 간의 공극이 폐쇄되는 현상이 자주 발생하였다. 뿐만 아니라, 메탄가스는 지구온난화 가스이고 대기중에서 5% 이상이면 폭발 가능성이 있어 종래 방법을 그대로 사용할 경우에는 생물반응 후에도 배출가스에 농도가 높아 폭발할 가능성이 높다는 문제점이 있었다.
따라서, 메탄가스를 질소제거를 위한 탄소원으로 효과적으로 사용하기 위해서는, 1) 메탄산화 박테리아를 우점종화시켜야 하고, 2) 생물담체에 적용시에는 폐쇄현상이 일어나지 않아야 하며, 3) 생물반응 후에도 배출가스내에 메탄의 농도가 매우 낮아야 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 오염수 내에 존재하는 질산성 질소 또는 인을 생물학적으로 보다 효과적으로 제거하는 방법과 이를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자는 오염수 내의 인과 질소를 보다 효과적으로 제거하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 메탄산화 박테리아가 점착성 물질인 다량의 폴리사카라이드 성분을 함유하고 있다는 점을 이용하여, 메탄산화 박테리아를 입상화시켜 메탄산화 박테리아만을 우점종화시키는 방법과 이를 위한 장치를 개발하였고, 이를 이용하여 오염수 내의 인과 질소가 보다 효과적으로 제거될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 메탄가스와 산소를 혼합한 후 생물반응조 가스홀더에 주입하는 제 1 단계; 상기 생물반응조 가스홀더에 유입수 및 입상화 생물반응조로부터의 반송수를 주입하여, 메탄가스 및 산소가 유입수 및 반송수 내에 용해되게 한 후, 상기 메탄가스 및 산소가 용해된 유입수 및 반송수를 입상화 생물반응조로 운송시키는 제 2 단계; 상기 입상화 생물반응조 내의 입상화된 메탄산화 박테리아를 이용하여 유입수 및 반송수 내 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거시키는 제 3 단계; 및 질산성 질소가 제거된 처리수를 무산소조로 운송시켜 처리한 후, 배출하는 제 4 단계를 포함하는, 메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소 제거 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 메탄가스와 산소를 혼합하는 혼합탱크; 메탄산화 박테리아 입자를 서로 충돌시켜 입상화를 유도시키기 위한 반송수 펌프 및 교반기가 장착된 입상화 생물반응조; 상기 혼합탱크 및 입상화 생물반응조와 연결되어 있고, 유입수 및 입상화 생물반응조로부터의 반송수가 주입되며, 상기 혼합탱크에서 혼합된 메탄가스와 산소의 혼합가스를 메탄산화 박테리아를 배양하는 입상화 생물반응조로 효율적으로 공급하기 위한 생물반응조 가스홀더; 및 상기 입상화 생물반응조와 연결되어 있고, 입상화 생물반응조에서 처리된 처리수가 운반되어 잔류된 메탄올과 같은 유기물을 이용하여 질산성 질소를 추가로 처리하는 무산소조를 포함하는 인 및 질소 제거를 위한 장치를 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소 제거 방법은, 먼저 메탄가스와 산소를 혼합한 후 생물반응조 가스홀더에 주입하는 제 1 단계를 포함한다.
상기에서 메탄가스와 산소의 혼합비는, 메탄산화 박테리아의 적정한 배양을 위하여, 압축공기를 사용한 경우 1:1(부피비), 순산소(기체산소, 산소 60% 이상)를 사용한 경우 1:0.5(부피비)인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이후, 상기 생물반응조 가스홀더에 유입수를 주입하여, 유입수에 메탄가스 및 산소가 용해되게 한 후, 상기 메탄가스 및 산소가 용해된 유입수 를 입상화 생물반응조로 운송시키는 제 2 단계를 포함한다.
상기에서 유입수로는 유기물질 및 질소물질이 혼합되어 있는 오염농도가 높은 폐수를 직접 사용하는 것 보다는, 우선 통상적으로 이용되는 생물학적 처리시설인 활성슬러지의 폭기조에서 유기물의 분해 및 질소화합물의 산화과정을 거쳐서, 유기물은 제거되고 질산성 질소함량이 높은 처리수를 사용하는 것이 바람직하다.
메탄가스와 산소가 용해된 유입수가 운송된 입상화 생물반응조 내에는 탄소원인 메탄가스가 공급되어 있기 때문에 메탄산화 박테리아만의 우점종화가 가능하다. 특히, 본 발명에서는 상기 탄소원으로 제공된 메탄가스가 메탄산화 박테리아에 의해 최대로 소비되도록 하기 때문에 최종적으로 배출되는 배출가스에는 메탄의 잔류농도가 매우 낮다는 이점이 있다.
본 발명에 따른 방법은, 상기 입상화 생물반응조 내에서 입상화된 메탄산화 박테리아를 이용하여 유입수 내 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거시키는 제 3 단계를 포함한다.
메탄산화 박테리아(methan-oxidizing bacteria)는 공기가 공급되는 호기성 조건에서 메탄을 주입하면 메타노트로프(methanotroph)에 의해 메탄올을 생성하고, 메틸로트로프(methylrotroph)가 상기 생성된 메탄올을 탄소원으로 하여 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거하는 능력을 가지고 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 메탄산화 박테리아의 질소제거 능력을 보다 극대화하고 우점종화하기 위한 방법으로, 메탄산화 박테리아가 점착성 물질인 다량의 폴리사카라이드 성분을 함유하고 있다는 점을 이용하였으며, 담체없이도 고농도 미생물이 농축된 입상의 메탄산화 박테리아의 생성이 가능하게 되었다는 점에 큰 특징이 있다.
상기에서 메탄산화 박테리아의 입상화는, 입상화 생물반응조에서 생물반응조 가스홀더로 반송수를 이송하는 반송수 펌프의 수리력에 의한 와류를 주동력원으로 하고, 입상화 생물반응조 내의 교반기의 교반력을 보조적인 수단으로 하여, 메탄산화 박테리아 입자간의 반복적 접촉에 의해 이루어진다. 상기에서 교반기의 교반력은 10-20rpm의 범위의 교반속도인 것이 바람직한데, 이는 교반속도가 10rpm 미만이면 입상화된 슬러지가 가라앉는 문제점이 발생하고, 교반속도가 20rpm을 초과하게 되면 입상화된 슬러지 층이 과잉으로 팽창하는 문제점이 발생하기 때문이다.
상기와 같이 입상화 생물반응조에서 메탄산화 박테레아에 의해 질산성 질소가 질소가스로 환원된 후에는, 입상화 생물반응조 내의 유입수가 생물반응조 가스 홀더로 다시 반송된다. 생물반응조 가스홀더로 반송된 반송수에 다시 메탄가스 및 산소가 용해되고, 메탄가스와 산소가 소모되게 되는 것이다.
또한, 제 3 단계 이후에 중공사 합성 멤브레인 담체 표면에 부착된 메탄산화 박테리아를 이용하여 추가적으로 유입수 및 반송수 내 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거시킬 수도 있는데, 이러한 경우에도 폴리사카라이드에 의한 미생물 담체의 폐쇄 없이도 연속적으로 처리가 가능하다는 이점이 있다.
상기 질소 및 인을 제거하기 위해 추가적으로 사용될 수 있는 중공사 합성 멤브레인은 폴리에틸렌(poly ethylene) 또는 폴리프로필렌(poly propylene)과 같은 합성 고분자물질인 것이 바람직하다. 또한, 중공사 합성 멤브레인은 속이 비어 있으며, 직경은 0.5~1mm인 통상의 정밀여과막이 바람직하다. 중공사 합성 멤브레인의 직경이 상기 범위일 때, 직경이 가늘어 미생물부착 비표면적이 매우 크게 된다는 이점이 있다. 또한, 속이 비어 있고 가닥가닥의 실타래 형태로 되어 있는 것이 바람직한데, 이와 같은 형태인 경우 유입수를 상향류로 유입할 때 유속 및 부력에 의해 멤브레인 각각의 실타래가 분리되어 표면에 메탄산화 박테리아가 부착되어도 막히거나 하는 문제가 발생되지 않는다.
상기와 같은 단계를 통해 질산성 질소가 질소로 배출된 후, 상기 질산성 질소가 제거된 처리수는 무산소조로 운송되어 재처리되고, 배출된다.
이하, 본 발명에 따른 일 실시예를 나타낸 도면을 참조하여 본 발명에 따른 생물학적 질소 및 인의 제거 방법과 이를 위한 장치에 대해 보다 상세하게 설명한 다.
압축된 순산소(101) 또는 콤프레셔에 의해 압축된 공기 및 압축된 메탄가스(102)를 공급밸브(103, 104)를 열어서 0.5:1 또는 1:1(부피비)의 혼합비로 혼합탱크(105)에서 혼합한 후, 생물반응조 가스 홀더(201)에 주입한다.
생물반응조 가스홀더 상부는 외부의 공기가 침투되지 않도록 밀폐되어 있어서 혼합가스를 주입하면 주입압력에 의해 생물반응조 가스홀더(201)내의 수위는 하강하고, 입상화 생물반응조(202)의 수위는 상승하게 된다. 생물반응조 가스홀더(201)에 질산성 질소가 풍부한 유입수(204)와 입상화 생물반응조로부터 반송된 반송수(205)를 펌프(203, 206)로 주입하면, 생물반응조 가스홀더(201)의 메탄가스 및 산소는 유입수(204) 및 반송수(205)에 용해되어 입상화 생물반응조(202)로 운송된다. 입상화 생물반응조(202)에서 생물반응조 가스홀더(201)로 운송되는 반송수(205)는 메탄가스와 산소가 고르게 용해되도록 분무식 노즐(nozzle)(207)로 살포된다.
입상화 생물반응조(202)로 운반된 메탄가스 및 산소는 메타노트로프 박테리아가 용존산소를 이용하여 메탄올 및 이산화탄소로 전환하고, 메틸로트로프 박테리아는 메탄올을 이용하여 유입수(204)에 함유된 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거한다. 따라서, 입상화 생물반응조(202)의 상부는 메탄산화 박테리아에 의해 분해된 질소 및 이산화탄소가 배출되고, 생물반응조 가스홀더(201)에 있는 메탄가스 및 산소는 반송수(205)에 의해 운반되어 소모됨으로 산소 및 메탄가스의 분압이 점차 낮아져서, 생물반응조 가스홀더(201)의 수위는 점차 상승하게 된다.
생물반응조 가스홀더의 수위가 최고점에 달하면 다시 가스 혼합탱크(105)의 밸브(210)를 열어 메탄가스 및 산소를 최하위 수위점까지 제공한다. 이렇게 간헐적으로 가스를 주입하여 메탄가스 및 산소가 완전소모될 때까지 사용함으로서 입상화 생물반응조(202) 배출가스에 메탄이 유실되는 것을 방지할 수 있다.
입상화 생물반응조(202)에서의 메탄산화 박테리아의 입상화는 입상화 생물반응조에서 생물반응조 가스홀더(201)로 반송수를 이송하는 반송수 펌프(206)의 수리력에 의한 와류를 주동력원으로 하고, 기계적 교반기(208)의 교반력을 보조적인 수단으로 하여, 폴리사카라이드와 같은 젤라틴 물질의 농도가 매우 높은 메탄산화 박테리아 미생물 입자간의 반복적 접촉에 의해, 입상형의 메탄산화 박테리아가 생성된다.
메탄산화 박테리아를 입상화시켜 사용하는 방법에 중공사 합성 멤브레인(401)을 미생물 부착담체로 사용하는 방법을 추가적으로 포함하는 경우, 메탄가스 및 산소혼합가스 주입(210), 유입수 주입(204), 반송수 주입(205) 등 모든 과정이 메탄산화 박테리아의 입상화 방법과 동일하다. 다만, 폴리사카라이드와 같은 젤라틴 물질이 많이 함유된 메탄산화 박테리가 폐쇄현상 없이 부착할 수 있는 담체로 중공사 합성 멤브레인(401)을 사용한다. 중공사 합성 멤브레인은 통상 직경이 0.5~1mm로 제조되고 속이 비어 있어 매우 가볍기 때문에, 반송수(205)를 상향류식으로 이송시 물의 흐름방향으로 곧게 서게 되어, 각 멤브레인 간에 겹침이 없어진다. 또한, 공급되는 메탄가스 및 용존산소가 수류방향으로 고르게 공급되어, 메탄산화 박테리아는 중공사 합성 멤브레인 표면에 고르게 부착된다.
입상화된 메탄산화 박테리아를 통과한 처리수(209, 402)에는 미분해된 메탄올 등이 함유되어 있으며, 이는 다시 탄소원으로 재사용할 수 있도록 교반기(301)를 갖춘 무산소조(302)에서 처리후 배출(303)된다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
메탄산화 박테리아가 입상화되는 입상화 생물반응조가 설치된 본 발명의 장치를 이용하여(도 1 참조), 각각의 반응조에 메탄을 탄소원으로 주입하였을 경우, 질산성 질소 및 인의 제거효율과 지구온난화 가스인 메탄의 배출가스 함유량을 측정하였다.
유입수로는 하수처리장에서 폭기과정을 거쳐서 유기물은 제거되고 암모니아성 질소는 산화되어 질산성 질소농도가 높은 처리수에 추가로 질산성 질소성분으로는 KNO3를, 용해성 인성분으로는 KH2PO4를 주입하여 사용하였다.
유입유량은 일일 100L/d로 주입하고, 입상화 생물반응조(202)의 수리학적 체류시간은 3시간, 그리고 입상화 생물반응조에서 소모하고 남은 메탄올을 부유미생물에 의한 탄소원으로 사용하기 위한 무산소조(302) 체류시간은 2시간으로 하였다. 각각의 반응조에 주입된 메탄가스(99%) 및 산소(99%)의 공급방법은 압축가스를 사용하였고, 각 가스의 혼합은 부피비로 1:1 로 혼합하여 혼합가스의 함량비(%)가 50:50을 유지하도록 하였다.
혼합탱크(105)의 압력을 이용하여 생물반응조 가스홀더(201)의 최하수위점까지 혼합가스를 채우고, 반송수(205)에 의해 입상화 생물반응조(202)로 이송하여 메탄가스 및 산소를 소모시킨 후, 생물반응조 가스홀더(201)의 수위가 최고점에 오르면 혼합가스를 다시 주입하여, 간헐적으로 혼합가스를 주입하였다. 실험은 각 반응조를 병렬로 설치하고, 동일한 유입수를 사용하였다.
본 실시예에 대한 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 표 1의 결과값은 약 1개월간의 실험결과를 평균한 값이다.
<실시예 2>
외경이 약 1mm인 폴리프로필렌 재질의 중공사 합성 멤브레인이 설치된 생물반응조(도 2 참조)가 추가적으로 포함된 본 발명의 장치를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행한 후, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<비교예>
통상적인 활성슬러지 공법을 이용하여 질소 및 인의 제거효율과 지구온난화 가스인 메탄의 배출가스 함유량을 측정하였다.
공기를 주입하여 운전하는 종래의 활성슬러지 폭기조에는 산소 및 질소제거 를 위한 탄소원으로 메탄가스를 각각 300mL/min으로 주입하였으며, 활성슬러지와 가스와의 완전혼합을 위하여 기계식 교반기를 사용하였다. 폭기조의 수리학적 체류시간은 6시간이었으며, 유입수의 수질은 실시예와 동일한 수질을 사용하였다.
구분 항목 COD (mg/L) BOD (mg/L) NO3 --N (mg/L) S-P (mg/L) 메탄 (%)
비교예 유입수 8 5 40 10 50
최종처리수 5 3 32 8 -
처리효율 (%) - - 20 25 -
배출공기 - - - - 35
실시예 1 유입수 8 5 40 10 50
입상화 생물반응조 처리수 35 22 12 2 -
최종처리수 5 2 3 1 -
처리효율 (%) - - 93 90 -
배출공기 - - - - 검출되지 않음
실시예 2 유입수 8 5 40 10 50
멤브레인 담체포함 입상화 생물반응조 처리수 25 18 10 1.8 -
최종처리수 3 2 2 1.0 -
처리효율 (%) - - 95 90 -
배출공기 - - - - 검출되지 않음
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 통상적인 활성슬러지 공법을 이용한 비교예의 경우 질산성 질소 및 인의 제거효율이 각각 20%, 25%로 매우 낮았으며, 배출가스에는 미반응된 메탄가스의 함량이 약 35%로서 매우 높아 화재의 우려도 있었다. 이는 활성슬러지 공법에 그대로 메탄가스를 주입할 경우 호기성 활성슬러지 박테리아와 메탄산화 박테리아와의 경쟁으로 메탄산화 박테리아의 우점종화가 어렵기 때문이다.
반면, 본 발명에 따른 실시예 1, 2의 경우 질산성 질소 및 인의 제거효율이 90% 이상으로 비교예에 비해 매우 높았다. 또한, 배출가스에 미반응 메탄가스가 존재하지 않았다. 이는 입상 또는 부착성 미생물의 형태로 메탄산화 박테리아만 우점종화시키고, 메탄의 주입은 반송수에 메탄가스 및 산소를 용해시켜 생물 반응조 가스홀더의 메탄이 모두 소모될 때까지(생물반응조 가스홀더 수위상승) 간헐주입 운전을 하였기 때문이라 생각된다. 또한, 입상화 생물반응조 및 중공사 합성 멤브레인 반응조에서 생성된 메탄올은 다시 무산소 활성슬러지 공정의 탄소원으로 활용함으로서 질소의 제거를 더욱 향상 시킬 수 있었다. 그리고, 인의 제거효율에 있어서 활성슬러지 공법에 메탄을 유입시켰을 경우에 비교하여 본 발명이 매우 탁월한 것은 폴리사카라이드에 의한 흡착 때문인 것으로 생각된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 메탄산화 박테리아를 입상화시켜 우점종화 시킴으로서 질소 및 인의 제거효율을 높일 수 있었고, 메탄 및 산소압축가스의 생물반응조로의 전달은 반송수에 용존시켜 순환하고, 가스가 고갈되어 감압 된 후에는 다시 재투입하는 간헐가스주입방식을 취함으로서 배출가스 내의 메탄함량을 대폭 감소시킬 수 있었다. 또한, 입상화 생물반응조에서 생성된 메탄올은 다시 무산소 활성슬러지 공정의 탄소원으로 활용함으로서 질소의 제거를 더욱 향상 시킬 수 있었다.

Claims (9)

  1. 메탄가스와 산소를 혼합한 후 생물반응조 가스홀더에 주입하는 제 1 단계;
    상기 생물반응조 가스홀더에 유입수 및 입상화 생물반응조로부터의 반송수를 주입하여, 메탄가스와 산소가 유입수 및 반송수 내에 용해되게 한 후, 상기 메탄가스와 산소가 용해된 유입수 및 반송수를 입상화 생물반응조로 운송시키는 제 2 단계;
    상기 입상화 생물반응조 내의 입상화된 메탄산화 박테리아를 이용하여 유입수 및 반송수 내 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거시키는 제 3 단계; 및
    상기 질산성 질소가 제거된 처리수를 무산소조로 운송시켜 처리한 후, 배출하는 제 4 단계
    를 포함하는 메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소 제거 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탄산화 박테리아의 입상화는, 입상화 생물반응조에서 생물반응조 가스홀더로 반송수를 이송하는 반송수 펌프의 수리력에 의한 와류를 주동력원으로 하고, 입상화 생물반응조 내의 교반기의 교반력을 보조적인 수단으로 하여, 메탄산화 박테리아 입자간의 반복적 접촉에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는
    메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소 제거 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입상화 생물반응조 내 교반기의 교반속도는 10~20rpm인 것을 특징으로 하는
    메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소 제거 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계 후에 중공사 합성 멤브레인 담체표면에 부착된 메탄산화 박테리아를 이용하여 유입수 및 반송수 내 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 제거시키는 단계를 추가로 포함하는
    메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소 제거 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서의 유입수는, 폭기과정을 거쳐서 유기물이 분해되고 암모니아성 질소는 산화되어, 질산성 질소의 함량이 높은 처리수인 것을 특징으로 하는
    메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소 제거 방법.
  6. 메탄가스와 산소를 혼합하는 혼합탱크;
    메탄산화 박테리아 입자를 서로 충돌시켜 입상화를 유도시키기 위한 반송수 펌프 및 교반기가 장착된 입상화 생물반응조;
    상기 혼합탱크 및 입상화 생물반응조와 연결되어 있고, 유입수 및 입상화 생물반응조로부터의 반송수가 주입되며, 상기 혼합탱크에서 혼합된 메탄가스와 산소의 혼합가스를 메탄산화 박테리아를 배양하는 입상화 생물반응조로 효율적으로 공급하기 위한 생물반응조 가스홀더; 및
    상기 입상화 생물반응조와 연결되어 있고, 입상화 생물반응조에서 처리된 처리수가 운반되어 잔류된 메탄올과 같은 유기물을 이용하여 질산성 질소를 추가로 처리하는 무산소조
    를 포함하는 인 및 질소 제거를 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 생물반응조 가스홀더는, 상기 입상화 생물반응조로부터 반송되는 반송수에 메탄가스와 산소가 용존상태로 균일하게 유입되도록 노즐이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는
    인 및 질소 제거를 위한 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 중공사 합성 멤브레인 생물담체가 설치된 입상화 생물반응조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    인 및 질소 제거를 위한 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    생물반응조 가스홀더에 유입되는 상기 유입수는, 폭기과정을 거쳐서 유기물이 분해되고, 암모니아성 질소는 산화되어, 질산성 질소 함량이 높은 처리수인 것을 특징으로 하는
    인 및 질소 제거를 위한 장치.
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