KR100961667B1 - 백색부후균과 슬러지 탄화물이 담지된 다공성 폴리우레탄폼 담체와 부유메디아 생물반응기를 이용한 염색폐수의처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 난분해성 물질, COD 및 색도를 함유하는 염색폐수의 물리학적-생물학적 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백색부후균을 유기성 슬러지 탄화물이 내재된 폴리우레탄 폼 담체에 부착시키고, 이를 부유메디아 생물막 반응기(MOVING-BED BIOLOGICAL REACTOR, MBBR)에 적용하여 높은 난분해성 물질, COD 및 색도(COD 500-3,000ppm 이고, 색도 500-6,000[C.U.])를 함유하여 처리가 어려운 염색폐수 처리의 효율을 증대시킨 생물학적-물리화학적 처리방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 유기성 슬러지 탄화물을 담지한 폴리우레탄 폼 담체를 충진하고, 이러한 담체 표면에 난분해성 물질의 분해능을 가진 백색부후균을 부착시킨 부유메디아 생물막 반응기를 이용하여 무산소-호기의 2단계로 구성된 생물학적 공정을 사용함으로써 기존의 활성슬러지를 이용한 생물학적 처리공정의 COD, 색도 등 오염물질의 제거 효율이 낮은 단점을 보완할 수 있으며, 또한 짧은 체류시간으로도 색도 및 난분해성 물질의 효율적인 처리와 슬러지 발생량 저감이 가능할 뿐 아니라 후처리 응집공정을 통해서 강화되는 방류수 기준인 청정지역 기준을 만족시킨다.

염색폐수, 백색부후균, 부유메디아 생물막 반응기, 생물학적-물리화학적 처리

Description

백색부후균과 슬러지 탄화물이 담지된 다공성 폴리우레탄 폼 담체와 부유메디아 생물반응기를 이용한 염색폐수의 처리방법{A METHOD FOR TREATING DYEING WASTEWATER BY USING POROUS POLYURETHANE FOAM MEDIA COMPRISING CARBONACEOUS MATERIALS OBTAINED FROM CARBONIZATION OF SLUDGES AND WHITE―ROT FUNGI}

본 발명은 높은 난분해성 물질, COD 및 색도를 함유하는 염색폐수의 생물학적-물리화학적 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백색부후균을 유기성 슬러지 탄화물이 내재된 폴리우레탄 폼 담체에 부착시키고, 이를 부유메디아 생물막 반응기(MOVING-BED BIOLOGICAL REACTOR, MBBR)에 적용하여 높은 난분해성 물질, COD 및 색도(COD 500-3,000ppm 이고, 색도 500-6,000[C.U.])를 함유하여 처리가 어려운 염색폐수 처리의 효율을 증대시킨 생물학적-물리화학적 연계 처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업폐수, 축산폐수, 생활하수 등을 처리하기 위해서 담체를 사용하여 미생물을 부착시켜 생물학적으로 처리하고 있다.

이를 위해 종래에 사용되고 있는 담체로는 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리스타이렌(PS), 활성탄, 세라믹 등이 있다. 그러나 여러 담체들이 재료의 원가가 높 아 제조비용의 증대 및 처리효율성과 안정성에 문제점이 야기되고 있다.

특히 오염물질 흡착과 미생물 서식공간을 제공을 위한 표면적 확대물질을 담지한 페수처리용 폴리우레탄의 폼 담체가 사용되고 있으나, 표면적 확대물질이 폴리우레탄에 대하여 이물질로 작용하므로 내구성을 약화시키는 작용을 하며, 이와 같은 폴리우레탄 담체의 약화된 내구성은 교반되는 반응조에서 오폐수 처리 능력이 더욱 문제가 된다.

대한민국 특허등록 제0232398호에는 폴리우레탄 또는 그 유도체인 담체(밀도 20~80kg/㎥)가 개시되어 있으나, 상기 종래기술을 비롯한 종래 폴리우레탄 폼 담체는 비중이 1 보다 작아서 물에 부유하므로 오염물질 제거 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

또한 대한민국 특허출원 제2002-52836호에는 생물학적 폐수처리용 다공성 폴리우레탄 폼 담체로서 활성탄, 숯, 이온교환수지 및 천연점토 등이 담지된 폴리우레탄 폼 담체가 개시되어 있다. 상기 종래기술은 바이오필름(biofilm) 형성능이 있고, 오염물질의 흡착능은 뛰어나지만, 사용 중에 담체가 마모되는 등 담체의 내구성의 문제가 있으며, 비중이 낮아 반응조에서 부유하여 오폐수 처리 효율이 떨어지는 문제가 있다.

대한민국 특허공개 제2003-50374호는 5～25 중량％의 화인 세라믹, 25 중량% 이하의 카본, 15～50 중량 % 탄산염, 30～60 중량 %의 점결제를 포함하여 구성되는 오폐수 처리용 다공성 세라믹 담체를 제시하고 있다. 상기 담체는 폐수 내 인(P)을 효과적으로 제거하고 기공이 많고 미생물의 생장에 필수적인 원소를 함유하고 있어 서 2차 처리용 생물막 담체로도 활용될 수 있다고 언급하고 있다.

대한민국 특허공개 제2006-112561호는 미생물 고정용 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA) 복합체를 사용하여, 물에 대한 용해성을 감소시킴으로써 화학적 처리에 의한 미생물의 활성 저하 문제의 유발 없이 고농도의 미생물을 고정화하여 폐수처리 효율을 향상시키는 방법을 제안하고 있다.

대한민국 특허등록 제10-0598081호는 산업 폐기물인 폐폴리에틸렌과 농작물의 부산물인 볏짚을 특정 조건에서 성형한 담체를 제시하고 있다. 상기 담체는 다공성이 높고 미생물균의 고착 및 번식효과를 상승시켜 유기물의 분해효과를 극대화시킬 수 있으며, 폐기물 및 부산물을 이용하므로 경제성이 높아 특히, 오폐수 등의 미생물을 이용한 수처리 분야에 적용될 수 있다고 언급하고 있다.

대한민국 특허등록 제10-0734924호는 슬러지 탄화물을 담지한 악취 및 휘발성 유기화합물 처리용 다공성 폴리우레탄 폼 담체의 제조방법을 제시하고 있다. 상기 담체는 각종 하폐수 처리 공정에서 발생되는 슬러지를 고온에서 탄화시켜 생성한 탄화물을 이용해 담체를 제조하였으며 이를 바이오필터에 적용하여 효과적으로 악취를 제거할 수 있다고 언급하고 있다.

이와 같이 다양한 종류의 담체를 제조하여 이를 악취 및 폐수 처리 등에 적용하고자 하는 노력이 있어왔다. 그러나 아직까지 그 처리가 문제시 되고 있는 하수 슬러지나 유기성 슬러지를 이용한 담체에 대해선 언급된 바 없다.

현재 하수 슬러지와 유기성 슬러지의 경우 대부분이 해양투기 되며 일부는 소각이나 매립에 의해 처리되고 있는 실정이며, 강화되는 각종 법규에 따른 유기성 슬러 지의 처리 및 처분에 어려움을 겪고 있다. 이에 효율적인 슬러지의 재활용을 통한 처리 및 처분 문제에 대한 연구들이 진행되고 있는 실정이다.

한편 염색공장에서 발생되는 폐수 중의 색도(Color) 및 유기오염물질(COD)이 다량 함유되어 있어, 별도의 약품을 투입하여 이를 제거하고 있다. 최근 환경보전에 대한 인식변화와 규제강화, 기업체의 자발적 참여 등으로 인해 염색폐수의 처리는 과거에 비해 현저히 개선되었으나 폐수배출량의 증가, 기존 처리시설의 한계, 염색폐수업체의 영세성 등으로 인하여 아직까지도 그 폐수처리 문제는 아직도 심각한 실정이다. 더욱이 배출기준의 강화로 인해 수질기준을 만족시키는 것 외에 염색폐수가 안고 있는 가장 큰 문제점인 폐수의 색도 제거가 최근 큰 관심을 끌고 있다.

현재 사용하고 있는 COD 및 색도를 제거하기 위해 응집제 및 탈색제를 사용하고 있으나, 이러한 물질들은 가격이 매우 고가이고 그에 비해 효율이 만족스럽지 못하다. 이에 활성탄을 사용하여 색도 및 COD를 제거하고 있으나, 이 또한 그 효율적인 면에서는 만족스럽지 못하다.

한편 현재 염색가공 폐수는 주로 응집공정으로 전처리한 후 활성슬러지공정으로 후처리하는 방법으로 처리되고 있다. 그러나 이 방법은 폐수의 수질 변동에 따른 대응성의 취약, 난분해성 물질 제거 기술의 미흡, 공기포기시의 산소 이용의 한계성으로 인한 포기조 용적의 과대, 운전기술의 복잡성, bulking 발생 등으로 처리수의 수질이 불안정하여 배출기준을 초과하는 경우가 많다.

따라서, 상기 종래 염색폐수 처리기술들이 갖는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 미생물 부착효율이 뛰어나고, 내구성이 강화되어 COD 및 색도를 효과적으로 제거할 수 있고, 난분해성 물질의 분해효능이 뛰어난 백색부후균 및 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체를 이용하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 제조된 폴리우레탄 폼 담체를 난분해성 산업 폐수 처리에 사용하여 강화되는 방류수 기준(청정지역 COD: 40ppm, 색도 200[C.U.])를 만족하도록 부유메디아 생물 반응기내에 충진시켜 염색폐수를 처리하는 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

a) COD 500-3,000ppm 및 색도 500-6,000[C.U.]인 염색폐수를 전처리조에 유입시켜 H₂SO₄를 이용하여 pH 6.5-7.5로 전처리하는 단계;

b) 상기 전처리된 염색폐수를, 슬러지 탄화물과 백색부후균이 담지된 폴리우레탄 폼 담체가 충진된 부유메디아 생물막 반응기(Moving-Bed Biological Reactor, MBBR)에서 처리하여 폐수에 포함된 난분해성 오염물질을 분해하고 처리수를 수득하는 단계; 및

c) 상기 처리수에 응집제를 첨가하여 고형물을 응집 및 침전시키고, 최종 처리수를 방류하는 단계;를 포함하여 이루어지며,

이때 최종 방류수는 COD 40ppm 및 색도 200[C.U.]를 만족하는 것을 특징으로 하는 염색폐수의 처리방법을 제공한다.

본 발명에서, 백색부후균이 부착된 담체가 충진된 부유메디아 생물막 반응기는 무산소(DO 농도: 2ppm 이하)조와 호기(DO 농도: 2ppm 이상)조로 구분되어 pH가 조절된 염색폐수를 무산소조에서 1차 처리하여 폐수 내 포함된 난분해성 물질을 분해하고 호기조에서는 무산소조에서 처리되지 않은 잔여 유기물을 처리하는 단계를 포함한다. 또한, 염색폐수 내 오염물질의 부하량에 따라 반응기의 배열을 혐기-무산소조-호기, 혐기-호기, 혐기-혐기-호기 혹은 혐기-호기-호기로 생물학적 처리 공정의 순서를 달리하여 적용이 가능하다. 상기 염색폐수 내 오염물질의 부하량은 COD 농도, 색도 농도, 난분해성 염료의 함량, 유기물 함량 등을 의미한다.

또한, 본 발명은

염색폐수의 유입구가 구비된, 염색폐수의 pH를 조정하기 위한 전처리조;

상기 전처리조에서 이송된 염색폐수를 제8항의 백색부후균 및 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체를 이용하여 무산소(DO 농도: 2ppm 이하) 조건하에 처리하기 위한 무산소 반응조;

상기 무산소 반응조에서 이송된 처리수를 백색부후균을 부착한 담체를 이용하여 호기성(DO 농도: 2ppm 이상) 조건하에 처리하기 위한 호기성 반응조; 및

상기 호기성 반응조에서 이송된 처리수를 응집 처리하기 위한 응집 및 침전조; 를 포함하여 이루어지며, 이때 상기 무산소 반응조와 호기성 반응조는 담체가 충진된 부유메디아 생물막 반응기(MBBR)이고, 상기 염색폐수는 COD 500-3,000ppm 및 색도 500-6,000[C.U.]인 염색 폐수의 처리장치를 제공한다.

상기 전처리조와 무산소 반응조 사이에는 염색폐수를 이송하는 이송관과 폐수를 정량적으로 이송하기 위한 이송펌프가 연결 설치되고, 상기 호기성 반응조의 하단에는 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치가 설치되고, 각 반응조 사이에는 처리수를 이용하는 이송관이 연결 설치된다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 염색폐수를 생물학적으로 처리함에 있어서, pH를 중성영역으로 조절하는 전처리 과정을 거친 후, 난분해성 물질의 분해능이 우수한 백색부후균이 부착된 담체를 무산소조-호기조의 2단 반응기에 충진시켜 처리하는 생물학적 염색폐수 처리방법을 제공하는 특징이 있다.

본 발명에서 처리하는 염색폐수는 COD가 500-3,000ppm이고, 색도가 600-5,000[C.U.]인 것으로 고농도의 난분해성 물질과 색도 성분을 포함하는 것으로, 본 발명의 처리방법에 따르면 강화되는 방류수 기준(청정지역 COD: 40ppm, 색도 200[C.U.])를 만족시킬 수 있다.

또한, 기존의 염색폐수 처리공정에서는 전처리 공정으로 응집 공정이 반드시 필요 한데 반하여, 본 발명에서는 이같은 응집 공정 없이 생물학적 처리가 가능할 뿐 아니라, MBBR에 의하여 처리하므로 잉여슬러지 발생을 절감할 수 있어 최종 처리하여야 하는 슬러지 발생량 또한 저감할 수 있다. 또한 후술하는 바와 같이, 상기 MBBR에 충진되는 담체를 제조시 발생하는 슬러지를 활용함으로써 다각도로 재활용하는 잇점을 함께 갖는다.

본 발명에서 담체는 백색부후균과 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체를 사용하는 것이 바람직하다.

이때 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체는 대한민국 특허출원 제10-2007-0065989호에 개시된 것으로, 슬러지 탄화물과 폴리우레탄 프리폴리머를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 계면활성제를 첨가하고, 얻어진 혼합물을 발포하여 폴리우레탄 폼 담체를 수득한 것으로, 본 발명에서는 이같이 수득된 폴리우레탄 폼 담체에 백색부후균의 변이주를 부착시켜 백색부후균과 슬러지 탄화물이 함께 담지된 폴리우레탄 폼 담체를 사용하게 되는 것이다.

구체적으로, 상기 폴리우레탄 프리폴리머는 이 분야에서 공지된 바의 프리폴리머가 사용되며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다. 대표적으로, 상기 폴리우레탄 프리폴리머로는 비스클로로포르메이트(bischloroformate) 화합물을 디아민 화합물과 반응시켜 제조된 폴리우레탄 프리폴리머, 또는 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜 등의 폴리올 화합물과 디이소시아네이트(diisocyanate) 화합물을 주 성분으로 한 폴리우레탄 프리폴리머가 가능하다.

이때 상기 디이소시아네이트로는 방향족 이소시아네이트, 예컨대, 톨루엔 디이소시아네이트, 크실릴렌 디이소시아네이트, 폴리메틸렌 폴리페닐렌 디이소시아네이트, 포화 고리형 이소시아네이트, 예컨대 수소화 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트, 수소화 톨루엔 디이소시아네이트 및 이소포론 디이소시아네이트, 지방족 디이소시아네이트, 예컨대, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 및 리신 디이소시아네이트 등이 있으며, 상업적으로는 Dow Chemical社의 상품명 Hypol 2000 또는 Hypol 3000을 구입하여 사용할 수 있다.

상기 슬러지 탄화물은 하수 슬러지와 유기성 슬러지를 200 내지 550℃의 온도에서 탄화시켜 생성된 하수 및 유기성 슬러지 탄화물을 이용한다. 이러한 하수 및 유기성 슬러지 탄화물은 그 처리나 처분의 문제가 되고 있어, 본 발명은 폐자원의 재활용이라는 점에서 큰 잇점을 갖는다. 또는 미생물의 서식공간을 제공하여 미생물을 이용한 하폐수 처리의 효율을 높이고, 미생물 부착성능이 뛰어나다. 더욱이 일반적인 생물학적 처리 시 안정적이고 우월한 처리 효율을 나타내고, 특히 활성탄이 담지된 담체에 비해 보다 우수한 효과를 가진다.

상기 폴리우레탄 프리폴리머는 1리터당 90 내지 110g의 수용액으로 구성되며, 상기 폴리우레탄 프리폴리머 수용액에 10 내지 30g의 탄화물을 혼합하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 슬러지 탄화물의 함량이 상기 범위 미만이면 충분한 미생물 부착 효율 증가 효과를 얻을 수 없고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 폴리우레탄 담체에 슬러지 탄화물이 충분히 담지되지 못한다.

이때 추가로 폴리우레탄의 발포를 촉진하기 위해 여러 가지 첨가제를 사용할 수 있다. 이러한 첨가제로는 각종 개시제(initiator), 실리콘계 정포제, 주석촉매, 아민촉매, 물, 가교제, 표면적 확대 물질, 및 가중 물질 등이 가능하다.

상기 첨가제 중 가교제는 폴리우레탄 발포시 가교(crosslink)에 의하여 폴리우레탄 폼의 내구성을 크게 증가시킨다. 이러한 가교제는 트리에탄올 아민, 에틸렌글리콜, 또는 글리세린이 사용될 수 있으며, 또한 이들의 유도체를 비롯하여 공지된 가교제가 모두 사용될 수 있다. 가교제 선택의 제한은 가교성능과 가격을 고려하는 것이다. 바람직하기로, 상기 가교제는 폴리우레탄 프리폴리머 100g을 함유하는 용기 1L 중에 30 내지 50g/L 첨가된다.

또한 표면적 확대 물질은 폴리우레탄 폼 담체의 표면적을 확대하기 위해 사용한다. 이러한 표면적 확대 물질은 활성탄, 숯, 이온교환수지(예: 앰버라이트(Amberlite), XAD 등), 천연점토, 제올라이트, 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 스멕타이트, 세포라이트, 돌마이트, 바라이트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이 가능하다. 상기 표면적 확대 물질은 혼합물 내에 분산이 잘 되도록 미세한 분말로 첨가되며, 바람직하기로, 폴리우레탄 프리폴리머 100g을 함유하는 용기 1L 중에 3 내지 20g/L 첨가된다.

또한 본 발명은 상기 재료혼합 단계에서 가중물질 분말을 첨가함으로써 폴리우레탄 폼의 비중을 증가시켜 담체가 오폐수가 투입된 각종 반응조(고정층 반응기(Packed Bed Reactor), 유동층 반응기(Moving-Bed Biological Reactor(MBBR), SBR(Sequencing Bacth Reactor), HBR(Hybrid Biological Reactor) 등)에서 부유되 는 것을 방지하여 하 폐수 처리효율을 높일 수 있다.

이러한 가중물질은 산화철, 영가철, 슬래그일 수 있으며, 특히 가중물질이 삼방정계 헤마타이트일 경우, 헤마타이트는 가중물질과 표적적 확대물질의 기능을 겸할 수 있고 공업용 헤마타이트를 사용할 경우 가격면에서도 충분히 경쟁력을 갖는다.

이러한 가중물질은 역시 미세분말이어서 폴리우레탄 프리폴리머 수용액에 잘 분산될 수 있는 것이 바람직하고, 최종적으로 얻어진 담체의 비중은 1.0 내지 1.3, 보다 바람직하게는 0.95 내지 1.1인 것이 폐수 중에 쉽게 부유되지 않으면서도, 너무 비중이 크지 않아서 교반되는 반응조에 기계적인 과부하가 생기지 않도록 할 수 있다.

이상에서 설명한 표면적 확대물질과 가중물질은 100 메쉬 이하인 크기를 갖는 것이 좋으며, 이는 100 메쉬 이상인 경우 제조된 폴리우레탄 폼 담체의 강도가 담체로서는 부적합해질 수 있는 것을 방지할 수 있다. 바람직하기로, 상기 가중물질은 폴리우레탄 프리폴리머 100g을 함유하는 용기 1L 중에 3 내지 20g/L 첨가된다.

다음으로, 상기 단계 a)에서 얻어진 혼합물에 계면활성제를 첨가한다. 이때 계면활성제로는 비이온성 계면활성제 또는 음이온 계면활성제를 사용할 수 있다. 상기 비이온성 계면활성제로는 상업적으로 구입할 수 있는 것으로 Tween 80이 있으며, 음이온성 계면활성제로는 SDS(sodium dodecyl sulfate)가 가능하다.

이러한 상기 계면활성제의 첨가량은, 상기 폴리우레탄 프리폴리머와 탄화물 수용액 100 g에 90 내지 110g의 계면활성제를 첨가하여 사용한다.

다음으로, 상기 단계 b)에서 얻어진 혼합물을 발포하여 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체를 제조한다. 이때 발포는 공지된 폴리우레탄 발포 조건에 따르며, 본 발명에서 특별히 언급하지는 않는다.

다음으로, 수득된 폴리우레탄 폼 담체에 백색부후균의 변이주를 부착시켜 백색부후균 및 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체를 제조한다. 상기 백색부후균의 변이주는 이에 한정하는 것은 아니나, 하기 실시예에서 규명한 바와 같이 기탁번호 한국생명공학연구원 생물자원센터(KCTC) 6147의 Phanerochaete chrysosporium 균주를 사용하면 충분하며, 이때 Phanerochaete chrysosporium 균주는 배양액에 희석시킨 다음 KCTC Medium 72의 potato dextrose yeast agar 배지에 식종, 배양하여 사용하게 된다.

또한, 장기 보존을 감안하여, 상기 potato dextrose yeast agar 배지에서 배양된 균주를 채취하고 KCTC Medium 683의 Koch's 액체배지에 식종하여 계대배양하여 사용할 수 있다.

상기 단계를 거쳐 제조된 폴리우레탄 폼 담체는 다공성이면서 내구성이 우수하여, 미생물의 고정화 담체로서 뛰어난 성능을 가지게 되어 하폐수 내 고농도의 난분해성 물질, COD, BOD, 색도, 질소, 인 등을 효율적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라 폐기물인 하폐수 슬러지를 탄화시켜 생성한 탄화물을 주원료로 사용함으로 폐기물의 재활용도를 증대시킨다.

이하, 본 발명의 염색폐수의 처리방법을 단계적으로 구체적으로 설명한다.

본 발명은, COD 500-3,000ppm 및 색도 500-6,000[C.U.]인 염색폐수를 H₂SO₄를 이용하여 pH 6.5-7.5로 전처리한다.

그런 다음 전처리된 염색폐수를, 상술한 폴리우레탄 폼 담체가 충진된 부유메디아 생물막 반응기(Moving-Bed Biological Reactor, MBBR)에서 처리하여 폐수에 포함된 난분해성 오염물질을 분해하고 처리수를 수득한다.

이후 처리수를 응집 및 침전 처리후 방류하게 되며, 이때 방류수는 COD 40ppm 및 색도 200[C.U.]를 만족하는 것을 특징으로 한다.

이때 염색폐수는 부유메디아 생물막 반응기내에서 무산소(DO 농도: 2ppm 이하)-호기(DO 농도: 2ppm 이상)의 2단계로 처리하는 것을 특징으로 한다.

한편, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염색폐수 처리공정을 위한 장치의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 염색폐수 처리장치는, 염색폐수의 유입구가 연결 설치되며 pH를 조정하기 위한 전처리조; 상기 전처리조에서 이송된 염색폐수를 처리하기 위한 1차 처리하기 위한 무산소 반응조; 상기 무산소 반응조에서 이송된 처리수를 2차 처리하기 위한 호기성 반응조; 및 상기 호기성 반응조에서 이송된 처리수를 응집 처리하기 위한 응집 및 침전조; 를 포함하여 이루어진다.

구체적으로, 상기 전처리조는 염색폐수의 유입구가 구비된, 염색폐수의 pH를 조정하기 위한 것으로, 상기 전처리조에서 이송된 염색폐수를 전술한 백색부후균 및 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체를 이용하여 무산소(DO 농도: 2ppm 이하) 조건하에 처리하기 위하여 무산소 반응조가 구성된다.

또한, 상기 무산소 반응조에서 이송된 처리수를 백색부후균을 부착한 담체를 이용하여 호기성(DO 농도: 2ppm 이상) 조건하에 처리하기 위하여 호기성 반응조가 구성된다. 이때 상기 무산소 반응조와 호기성 반응조는 부유메디아 생물막 반응기로 구성된다.

구체적으로, 백색부후균이 부착된 담체가 충진된 부유메디아 생물막 반응기는 무산소(DO 농도: 2ppm 이하)조와 호기(DO 농도: 2ppm 이상)조로 구분되어 pH가 조절된 염색폐수를 무산소조에서 1차 처리하여 폐수 내 포함된 난분해성 물질을 분해하고 호기조에서는 무산소조에서 처리되지 않은 잔여 유기물을 처리하게끔 한다.

또한, 염색폐수 내 오염물질의 부하량에 따라 반응기의 배열을 혐기-무산소조-호기, 혐기-호기, 혐기-혐기-호기 혹은 혐기-호기-호기로 생물학적 처리 공정의 순서를 달리하여 적용이 가능하다. 이때 염색폐수 내 오염물질의 부하량은 COD 농도, 색도 농도, 난분해성 염료의 함량, 유기물 함량 등을 의미한다.

또한, 상기 호기성 반응조에서 이송된 처리수를 응집 처리하기 위한 응집 및 침전 조; 를 포함하여 이루어진다. 이뿐 아니라 상기 전처리조와 무산소 반응조 사이에는 염색폐수를 이송하는 이송관과 폐수를 정량적으로 이송하기 위한 이송펌프가 연결 설치되고, 상기 호기성 반응조의 하단에는 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치가 설치되고, 각 반응조 사이에는 처리수를 이용하는 이송관이 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 기존의 담체에 활성슬러지를 부착시켜 처리하는 부유메디아 생물막 공정에 비해, 난분해성 물질의 분해능이 우수한 백색부후균을 고농도로 담체에 안정적으로 부착시켜 적용하는 부유메디아 생물막 공정의 경우 상기 조건의 염색폐수를 무산소조-호기조의 2단 반응기를 이용하여 총 체류시간 32시간 이내에 효율적으로 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 갑작스러운 부하 변동 및 독성 폐수유입에도 안정적으로 운전이 가능하게 되므로 매우 경제적이고 효율적으로 처리가 가능하다.

실시예 1> 유기성 슬러지 탄화물 담지 폴리우레탄 폼 담체의 제조

하기표 1에 나타난 바와 같이, 폴리우레탄 프리폴리머(prepolyumer, 예 Dow Chemical 사의 Hypol 3000) 100g을 1L 용기에 넣은 다음, 유기성 슬러지 탄화물, 비이온성 계면 활성제(Tween 80) 용액을 100g 첨가하여 발포시켜 폴리우레탄 폼 담체를 제조하였다. 이때 유기성 슬러지 탄화물은 400^oC에서 탄화된 것을 사용하였다. 참고로, 하기표 1은 유기성 슬러지 탄화물 담지 폴리우레탄 폼 담체의 조성을 나타낸 것이다.

	탄화물 함량	계면활성제	폴리우레탄 프리폴리머
중량 (g)	10	100	100

비교예 1> 난분해성 분해 균주의 배양 및 담체 부착

본 발명에 사용된 백색부후균은 백색 부후균의 대표종인 Phanerochate chysosporium(KCTC #6147) 균주를 배양액에 희석시킨 후, potato dextrose yeast agar(KCTC Medium #72) 배지에 식종, 배양하여 사용하였다(도 2 참조). 또한 균주의 장기 보존을 위해 potato dextrose yeast agar 배지에서 배양된 균주를 채취, Koch's 액체배지(KCTC Medium #683)에 다시 식종하여 계대 배양하였다. 이때 식종된 모든 배지의 보관은 25^oC로 유지된 배양기에서 이루어졌으며, 본 실험에 이용된 균주는 1주일간 배양된 배지에서 채취하여 이용하였다.

참고로, 하기표 2는 Potato Dextrose Yeast Agar의 조성을 나타낸 것이고, 표 3은 Koch's 배양액의 조성을 나타낸 것이다.

Chemical	Concentration(g/L)
Diced potatoes Glucose Agar Yeast extract	300g 20g 15g 5g

Chemical	Concentration(g/L)
Glucose Peptone Yeast extract	1.8g 0.6g 0.4g

1주일간 배양된 백색부후균을 유기성 슬러지 탄화물 담지 폴리우레탄 폼 담체에 2주간 안정적으로 부착시켰으며 biomass를 분석한 결과를 표 4에 나타내었다. 표 4에서와 같이 2주간 안정적으로 부착 후의 biomass 농도는 평균 0.002(g/g)로 평균 MLSS는 2,900(mg/L)로 나타났다.

하기표 4는 담체에 부착된 백색부후균의 Biomass를 나타낸 것이다.

Biomass(g)	0.002	0.001	0.001	0.001	0.002	0.002
담체무게(g)	0.072	0.074	0.087	0.092	0.137	0.172
Biomass/담체무게(g/g)	0.021	0.016	0.015	0.012	0.015	0.012
MLSS(mg/L)	3,000	2,400	2,600	2,200	4,000	4,000

비교예 2> 활성슬러지를 이용한 미생물의 담체 부착

상기 제조예 1에서 제조된 유기성 슬러지 탄화물 담지 폴리우레탄 폼 담체에 활성슬러지를 2주간 안정적으로 부착시켰으며 biomass를 분석한 결과를 다음 표 5에 나타내었다. 표 5에서와 같이 2주간 안정적으로 부착 후의 biomass 농도는 평균 0.002(g/g)로 평균 MLSS는 2,900(mg/L)로 나타났다. 하기표 5는 담체에 부착된 활성슬러지의 Biomass를 나타낸 것이다.

Biomass(g)	0.002	0.001	0.002	0.002	0.002	0.002
담체무게(g)	0.174	0.196	0.122	0.140	0.127	0.125
Biomass/담체무게(g/g)	0.011	0.005	0.016	0.014	0.016	0.024
MLSS(mg/L)	2,299	1,020	3,279	2,857	3,150	4,800

실시예 2> COD 및 색도 제거 효율의 측정

상기 실험에서는 실시예1 및 비교예 1, 2에서 담체에 부착된 백색부후균과 활성슬러지를 부착한 담체를 이용한 염색폐수 COD 및 색도 제거효율 측정하였다.

본 발명에서 무산소-호기 부유메디아 생물막 반응기를 이용한 염색폐수 처리 실험결과를 도 3에 정리하였다. 즉, 도 4a와 4b는 비교예 1의 백색부후균을 부착한 담체로 COD가 500-3,000ppm이고, 색도가 500-6,000[C.U.]인 염색폐수를 처리한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5a와 5b는 비교예 2의 활성슬러지를 부착한 담체를 이용한 생물학적 처리 결과이다.

실험기간 동안 백색부후균을 부착한 담체를 충진한 반응기의 유입수 COD는 520-674ppm, 색도는 545-690[C.U.]이지만, 무산소조에서 COD는 210-392ppm, 색도는 318-475[C.U]로 각각 42-60%와 31-42%가 제거되었으며, 호기조에서 최종 유출수의 COD 및 색도는 100-154ppm, 252-404[C.U.]로 각각 35-52%, 15-21% 제거되는 것으로 나타났다. 또한 활성슬러지가 부착된 담체를 충진한 반응기의 경우 유입수 COD는 522-642ppm, 색도는 426-665[C.U.]이였으며, 무산소조에서 COD는 176-350ppm, 색도는 327-355[C.U.]로 각각 45-52%, 130%가 제거되었으며, 호기조에서 최종 유출수의 COD 및 색도는 90-150ppm, 325-355[C.U.]로 각각 7-50%, 21-33%의 제거효율이 나타났다.

결과적으로, 도 4a와 4b 및 도 5a와 5b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 백색부후균이 부착된 담체를 이용하여 염색폐수를 처리한 결과, 활성슬러지가 부착된 담체를 이용하는 경우에 비해 처리효율이 훨씬 뛰어남을 알 수 있었다. 또한 기존의 48시간 이상의 체류시간이 필요로 했던 염색폐수의 생물학적 처리 기술 보다 16시간이 단축된 32시간의 체류시간으로도 유출수 농도가 충분히 강화되는 방류수 기준(청정지역 COD: 40ppm, 색도: 200[C.U.])을 만족함을 확인할 수 있다.

실시예 3> 생물학적 처리 유출수의 응집

염색폐수를 백색부후균을 부착한 담체를 담지한 부유메디아 생물막 반응기를 이용하여 처리하였을 때 유출수의 평균 COD는 100ppm 전후로 전체적으로 양호한 편이나 방류수 기준(청정지역, COD: 40ppm)을 초과하였다. 이를 방류수 기준 이하로 제거하기 위하여 무기 응집제인 염화제일철(FeCl₂)을 이용하여 응집실험을 한 결과, 도 6a 및 6b에서와 같이 처리수의 수질은 COD 35ppm, 색도 190[C.U.]로 나타나 청정지역 방류수 기준(COD 40ppm, 색도 200[C.U.])을 만족하는 것으로 나타났다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염색폐수의 처리 장치를 도시한 도면이고,

도 2는 Dextrose yeast agar 배지에 배양된 Phanerochate chysosporium를 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 슬러지 탄화물 담지 폴리우레탄 폼 담체에 백색부후균을 부착시킨 담체 표면의 전자현미경 사진이고,

도 4a 및 4b는 본 발명내 실시예 2의 백색부후균을 부착한 담체를 이용한 염색폐수의 처리 후 COD 및 색도 변화 결과 그래프이고,

도 5a 및 5b는 활성슬러지를 부착한 담체를 이용한 염색폐수의 처리 후 COD 및 색도 변화 결과 그래프이고,

도 6a 및 6b는 본 발명내 실시예 3의 생물학적 처리 유출수의 응집을 통한 염색폐수의 처리 결과를 각각 나타낸 그래프이다.

Claims (9)

1. 삭제
2. a) COD 500-3,000ppm 및 색도 500-6,000[C.U.]인 염색폐수를 H₂SO₄를 이용하여 pH 6.5-7.5로 전처리하는 단계;

   b) 상기 전처리된 염색폐수를, 백색부후균과 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체가 충진된 부유메디아 생물막 반응기(Moving-Bed Biological Reactor, MBBR)에서 처리하여 폐수에 포함된 난분해성 오염물질을 분해하고 처리수를 수득하는 단계; 및

   c) 상기 처리수를 응집 및 침전 처리후 방류하는 단계; 를 포함하여 이루어지며, 이때 방류수는 COD 40ppm 및 색도 200[C.U.]를 만족하는 염색폐수의 처리방법에서 있어서,

   상기 b)단계에서 백색부후균과 슬러지 탄화물이 담지된 폴리우레탄 폼 담체는 슬러지 탄화물과 폴리우레탄 프리폴리머를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 계면활성제를 첨가하고, 얻어진 혼합물을 발포하여 폴리우레탄 폼 담체를 수득하고, 수득된 폴리우레탄 폼 담체에 백색부후균의 변이주를 부착시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 슬러지 탄화물은 하수 슬러지와 유기성 슬러지를 200 내지 550℃의 온도에서 탄화시켜 생성된 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 혼합은 폴리우레탄 프리폴리머를 물 1ℓ당 90 내지 110g의 비율로 수용액과 슬러지 탄화물 10 내지 30g과 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 계면활성제는 폴리우레탄 프리폴리머와 탄화물 혼합액 100 g에 대해 90 내지 110 g으로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제2항에 있어서, 상기 백색부후균의 변이주는 기탁번호 KCTC 6147의 Phanerochate chysosporium 균주인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 b) 단계에서 염색폐수는 부유메디아 생물막 반응기내에서 무산소(DO 농도: 2ppm 이하)-호기(DO 농도: 2ppm 이상)의 2단계로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법
8. 삭제
9. 삭제

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