KR100890605B1 - 오폐수 처리용 미생물담체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오폐수 중의 질소를 제거하기 위한 미생물담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 폴리비닐알콜(PVA), 액상규산나트륨, 액상규산칼륨 중 선택된 바인더 및 황혼합물을 포함하며, 상기 황혼합물과 바인더가 5~7 : 3~5의 중량비로 혼합된 오폐수용 미생물 담체를 제공함으로써, 별도의 탄소원을 주입하지 않으면서도 질소 제거효율이 우수하여 경제적이며, 알칼리도를 효과적으로 공급하면서 제조공정 중 황산화물 가스를 배출시키지 않아 환경친화적이고, 폐기물 재활용에 일조할 수 있는 효과가 있는 발명이다.

오 폐수, 질소 제거, 미생물 담체, 환경친화, 재활용, 바인더, 황혼화물

Description

오폐수 처리용 미생물담체 및 그 제조방법{Microorganism media for treatment of wastewater and its manufacturing method}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 제조된 실시예 1의 미생물 담체를 오폐수에 투입하였을 때의 시간에 따른 질산성 질소의 농도 변화를 나타낸 그래프,

도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 제조된 실시예 2의 미생물 담체를 오폐수에 투입하였을 때의 시간에 따른 질산성 질소의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 오폐수 중의 질소를 제거하기 위한 미생물담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 질소와 같은 영양염류는 부영양화를 유발시키는 주 원인물질로서 미처리된 오염물질이 하천이나 호소를 비롯한 기타 수원에 유입됨에 따라 효율적 수질관리에 많은 문제점을 야기하고 있다.

수중에서 질소는 요소와 아미노산과 같은 유기질(organic nitrogen), 암모니아성 질소(ammonia/ammonium), 아질산성 질소(nitrite) 및 질산성 질소(nitrate)의 상태로 존재한다.

질소는 주로 농업용 비료, 사람이나 가축의 분뇨, 합성세제로부터 발생되며, 미처리된 하수 또는 공장폐수에 의해 강이나 댐을 포함한 호소로 다량 유입될 경우 부영양화, 연안의 적조현상, 암모니아의 어류독소, 수중의 용존산소결핍 등을 야기시키며, 상수중의 암모니아는 염소요구량을 증가시키고, 질산성 질소는 음용수 중에 높은 농도로 존재하는 경우 건강에 위해를 미치기도 한다.

또한 질소 등의 상수원 유입으로 인한 조류의 과잉성장은 정수장에 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있다. 첫째, 조류의 과다 번식으로 발생하는 대사물질인 지오스민(Geosmin)과 2-메틸이소보르네올(2-MIB(2-Methylisoborneol)) 등은 수돗물에서의 맛과 냄새 등의 불쾌감을 일으킨다. 둘째, 정수공정인 모래여과지의 막힘현상을 유발하여 여과지의 운전시간을 단축시킨다.

수계로의 질소의 유입은 정수비용의 증가에 따른 경제적인 손실발생, 공중보건상 안전하고 깨끗한 수자원확보의 어려움 등의 문제를 유발시키며, 따라서 수계로의 영양염류 유입을 근원적으로 차단하는 것이 가장 근원적인 해결책이므로 하수, 폐수 및 축산폐수에서 유기물의 제거와 더불어 질소의 처리가 더욱 강조되고 있는 실정이다.

질소의 처리를 위한 물리화학적 처리방법으로는 여과(Filtration), 흡착(Adsorption), 전기투석(Electrodialysis), 역삼투법(Reverse osmosis), 암모늄의 선택적 이온교환(Selective ion exchange for ammonium), 파괴점 염소산화법(Breakpoint chlorination), 암모니아 탈기(Ammonia stripping), 응집침전(Coagulation and precipitation) 등이 있다.

여과나 탄소흡착에 의한 처리법은 입자형태로 존재하는 유기질소의 제거에는 다소 효과가 있으나, 암모니아나 질산염과 같이 용해성이 큰 물질은 제거효과가 미미하다.

파괴점 염소산화법은 암모니아성 질소를 산화시켜 질소가스로 전환시키는 방법이다. 이 방법은 암모니아 농도를 거의 0에 가깝게 낮출 수 있는 장점이 있으나, 운전비용이 과다하고 방류수 염소 독성의 제거를 위해 탈염소화가 필요하다. 암모니아 탈기는 가스상태로 수중에 녹아 있는 암모니아를 공기를 주입하여 분압을 감소시켜 제거하는 방법이다. 폐수 내에 효과적으로 적용하기 위해서는 다량의 공기를 접촉하는 것이 필요하다. 그러나 추운 계절에는 처리 효율이 떨어지게 되며 탄산칼슘의 스케일(Scale)이 생기는 단점이 있다.

한편, 질소 제거를 위한 생물학적 공정은 ① 미생물의 동화작용에 의한 질소제거, ② 질산화 및 탈질과정에 의한 질소제거의 크게 두 분류로 나뉘며, 이러한 질소제거 원리의 효과를 극대화하기 위해 반응조의 배열을 다양하게 하는 여러 가지 처리법이 개발되어 있다.

상기의 공법 뿐만 아니라 생물학적 공정으로써, 기본적으로 혐기ㅇ호기의 순환적용을 통해 질산화 및 탈질을 유도하는 기법을 쓰고 있는데, 혐기성, 무산소 그리고 호기성 반응조의 배치방법, 크기, 부대시설 설치 등에 따라 다양한 공정이 개발되어 있다. 대표적으로는 A2/O 공법, 바덴포(Bardenpho) 공법, UCT(University of Cape Town) 공법, VIP(Virginia Initiative Plant) 공법, SBR 공법 등이 일반적으로 알려져 있으나, 이들은 원폐수의 성상이나 현장 여건에 따라 다양한 한계점을 가지고 있다. 바람직한 탈질 및 탈질효율을 얻기 위해서는 탄소와 질소의 비가 100:5 정도로 유지되어야 하지만, 우리나라 오폐수의 경우 유기물농도가 질소 농도에 비해 낮기 때문에 기존의 생물학적 질소 제거공정을 그대로 적용하기가 곤란하며, 특히 질소가 다량 함유된 각종 산업폐수의 경우에는 유기물농도가 낮거나 중금속, 고분자의 화학물질 등의 방해물질이 존재하여 질소의 제거효율이 저하되는 문제가 있다.

따라서, 탄소/질소 비율이 낮은 폐수의 경우 종속영양탈질 공법을 그대로 적용하기 위해서는 메탄올 같은 외부탄소원을 공급해 주어야 하며, 이로 인해 공정의 경제성이 떨어지는 문제가 발생된다. 이러한 단점을 보완하기 위한 공정으로 티오바실러스 데니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans), 티오마이크로스피라 데니 트리피칸스(Thiomicrospira denitrificans)등의 황산화 미생물을 이용하여 여러 종류의 황 화합물(S⁰, S^2-,S₂O₃ ^2-,S₄O₆ ^2-,SO₃ ^2-)을 황산염이온(SO₄ ^2-)으로 산화시키면서 동시에 질산성 질소를 질소 가스로 전환시켜 제거하는 황탈질 반응을 이용하는 폐수처리방법에 관한 연구가 진행되고 있다. 황산화 미생물에 의한 황탈질 반응은 아래의 반응식 1과 같이 진행된다.

[반응식 1]

55S + 20CO₂ + 50NO^{3 -} + 38H₂O + 4NH₄ ⁺ → 4C₅H₇O₂N + 25N₂ + 55SO₄ ^-2 + 64H⁺

상기의 반응은 독립영양 미생물에 의해 이루어지며, 메탄올 등의 외부 탄소원의 주입을 필요로 하지 않으며 상대적으로 발생되는 슬러지 양도 작은 장점이 있지만, 반응 과정에서 알칼리도 유발물질이 사용되기 때문에 점차 pH가 낮아지는 문제가 있다. 또한, 미생물의 성장속도가 느리기 때문에 반응조 내의 미생물량을 적정수준으로 유지시킴으로써 수처리 효율을 향상시킬 수 있도록 해야 한다.

따라서 담체에 황탈질 미생물을 부착성장시킨 담체를 이용하는 폐수처리 방법이 개발되어왔으며, 이 때 담체로는 입자상 황과 석회석(limestone)을 혼합 충진하거나, 입자상 황과 석회석을 혼합 용융하여 일정크기로 냉각시킨 담체를 이용함으로써, 알칼리도 공급 및 pH 저하를 해결한 연구사례가 발표되었으나, 장시간 운 전시에 막힘현상이 발생하여 정기적인 역세척의 필요 및 담체 제조 중 황산화물(SO_X) 가스의 발생에 의한 환경오염 등의 문제로 현장에서 편리하게 적용하는 데 어려움이 있다.

이에 본 발명자들은 별도의 탄소원 주입 없으며, 알칼리도의 효과적인 공급이 가능하면서, 제조공정 중 황산화물 가스의 배출이 없는 오폐수 처리용 미생물 담체 및 그 제조방법을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 탄소원 주입 없으면서도 질소의 제거효율이 우수하여 경제성 있는 오폐수 처리용 미생물 담체 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 알칼리도를 효과적으로 공급하면서 제조공정 중 황산화물 가스를 배출시키지 않는 오폐수 처리용 미생물 담체 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 바인더 및 황혼합물을 포함하며, 상기 황혼합물과 바인더가 5~7 : 3~5의 중량비로 혼합된 오폐수용 미생물 담체 를 제공한다.

상기 황혼합물은 황(S)과 알칼리제와 산화마그네슘(MgO)이 5~7 : 2~4 : 1의 중량비로 혼합된 것임을 특징으로 한다.

상기 알칼리제는 탄산칼슘(CaCO3) 또는 알루미늄 폐드로스인 것임을 특징으로 한다.

상기 바인더는 폴리비닐알콜(PVA), 액상규산나트륨, 액상규산칼륨 중 선택된 것임을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 황(S)과 알칼리제와 산화마그네슘(MgO)을 5~7 : 2~4 : 1의 중량비로 혼합하는 황혼합물 제조단계; 상기 황혼합물에 바인더를 투입하되, 황혼합물과 바인더가 5~7 : 3~5가 되도록 투입하는 원료 혼합단계; 및 혼합된 원료를 20~30시간 건조시키는 건조단계를 포함하는 오폐수용 미생물 담체의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 미생물 담체는 황혼합물을 바인더와 혼합한 후 건조를 거쳐 제조되는 것이다.

상기 황혼합물은 황(S)과 알칼리제와 산화마그네슘(MgO)이 5~7 : 2~4 : 1의 중량비로 혼합된 것이 바람직하다.

우선 황은 황산화 미생물의 탈질반응을 위한 기질로 작용하며, 알칼리제는 탈질반응이 진행됨에 따라 저하되는 알칼리도를 보충함으로써, 미생물들이 원활하게 탈질을 일으킬 수 있는 pH 6~8의 조건을 만들어주기 위하여 첨가되는 물질이다. 이러한 알칼리제로는 탄산칼슘 또는 알루미늄 폐드로스가 바람직하다.

알루미늄 폐드로스는 무기질 폐기물 중 알루미늄 금속을 회수하고 발생된 것으로 국내에서 연간 약 4만톤이 발생하고 있으며, 현재 매립 또는 야적에 의존하여 처리하는 실정이므로 이를 재활용할 수 있는 효과도 제공할 수 있다.

한편, 산화마그네슘은 하기 반응식 2에서 볼 수 있듯이, 수중에서 암모니아성 질소 및 마그네슘과 반응하여 스트러바이트(struvite, MgNH₄PO₄)를 생성함으로써, 질산성 질소 외에도 암모니아성 질소와 인을 동시에 제거할 수 있도록 해준다.

[반응식 2]

Mg²⁺ + NH₄ ⁺ + PO₄ ^3- → MgNH₄PO₄

상기 반응식 2에 나타낸 바와 같이 폐수 중의 암모니아, 인, 마그네슘의 농도비가 1:1:1이고, pH 8~10 정도에서 반응이 이루어져 백색의 침전이 형성되게 된다. 혐기조건에서 이루어지게 되는 황탈질 반응에서는 질산성질소의 제거는 가능하지만, 암모니아성질소는 처리수에 잔존하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 산화마그네슘을 담체의 원료로 사용함으로써 스트러바이트의 생성을 유도함으로써 폐수 중의 암모니아성 질소도 제거할 수 있게 된 것이다.

본 발명에서 사용하는 바인더는 고형화제로 첨가되는 것이 바람직하다. 이는 기존 용융냉각 방식의 제조과정에서 발생되는 SOx 유해가스를 근원적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이며, 또한 용융냉각방식으로 제조된 유리질 황에 비해 입자상 집합체의 황담체가 미생물신진대사에 유리하기 때문에 황담체의 성능을 개선시키고자 하는 것이다.

상기 바인더로는 상기와 같은 점을 고려하여 폴리비닐알콜(PVA), 액상규산나트륨, 액상규산칼륨 중 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 바인더는 담체의 형태를 적절하게 고형화시켜주기 위하여 상기 황혼합물과의 혼합비율이 (황혼합물 : 바인더 = 5~7 : 3~5)의 중량비가 되도록 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 미생물 담체는 이상 설명한 바와 같은 혼합비율로 혼합된 황혼합물을 제조한 후, 여기에 바인더를 투입하여 고형화시키는데, 적정한 경도로 고형화시켜주기 위하여 상온에서 20~30시간 정도 건조시켜주는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 실시 가능한 범위까지 포함한다.

<실시예 1>

교반이 가능한 반응조에 황혼합물로서 황과 알칼리제와 산화마그네슘이 중량비로 6:3:1의 비율이 되도록 분말황 60중량부에 대해 탄산칼슘 30중량부, 마그네슘 10중량부를 균일하게 혼합되도록 교반하였다. 여기에 바인더로써 액상규산나트륨을 투입하는데, 상기 황혼합물 60중량부에 대해 액상규산나트륨을 40중량부를 혼합 교반한 후, 혼합된 재료를 틀에 담아 상온에서 하루 동안 건조시켜 미생물 담체를 제조하였다.

<실시예 2>

상기 실시예 1에서 알칼리제로서 알루미늄 폐드로스를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 미생물 담체를 제조하였다.

<실험예>

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 담체를 이용하여 도금폐수 1차 처리수에 함유된 질산성 질소의 제거능력을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 2.0L의 반응조에 각각 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 담체 1.0kg을 충전하여 HRT 6hr의 조건으로 운전하였으며, 담체에 미생물의 식종을 위해 황탈질 미생물에 순응된 슬러지를 주입하고, 운전이 안정하게 이루어진 상태에서 폐수를 유입시켜 실험하였 다.

실험결과는 도 1 및 도 2에 나타내었으며, 폐수 중에 함유된 질산성 질소는 급격히 감소하여 운전 3일 경과 후에는 90%이상의 제거율을, 6일 경과에는 99%이상의 제거율을 나타냈으며, 10일 경과 후에는 질산성 질소가 거의 검출되지 않았음을 볼 수 있다.

또한 담체의 제조공정 중 황을 용융 및 냉각시키는 공정을 거치지 않고도 황을 고형화하였기 때문에 제조공정 중 황산화물 가스를 배출시키지 않음을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 별도의 탄소원을 주입하지 않으면서도 질소 제거효율이 우수하여 경제적인 발명이다.

그리고 본 발명은 알칼리도를 효과적으로 공급하면서 제조공정 중 황산화물 가스를 배출시키지 않아 환경친화적인 효과가 있다.

또한 본 발명은 폐기물 재활용에 일조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

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6. 황(S)과 알루미늄 폐드로스와 산화마그네슘(MgO)을 5~7 : 2~4 : 1의 중량비로 혼합하는 황혼합물 제조단계;

   상기 황혼합물에 액상규산나트륨 또는 액상규산칼륨 중 선택된 바인더를 투입하되, 황혼합물과 바인더가 5~7 : 3~5가 되도록 투입하는 원료 혼합단계; 및

   혼합된 원료를 틀에 담아 20~30시간 건조시키는 건조단계를 포함하는 오폐수용 미생물 담체의 제조방법.
7. 제 6 항의 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 오폐수용 미생물 담체.

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