KR100974928B1

KR100974928B1 - 하이브리드형 하·폐수 고도처리 장치

Info

Publication number: KR100974928B1
Application number: KR1020080029907A
Authority: KR
Inventors: 안대희; 트란 훙 투안; 오세진; 김대희
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2010-08-09
Also published as: KR20090104470A

Abstract

본 발명은 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 산화전극 및 환원전극을 포함하는 전극시스템과 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물 처리조가 결합된 것을 특징 으로 하는 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 설치비용 및 유지비용이 저렴하면서도, 낮은 C/N(탄소/질소)비를 갖는 국내 하·폐수 처리에 적합하므로 자연친화적인 고도처리 방법으로 이용될 수 있다.

산화환원반응, 전극, 전자, 전력, 전압, 질소

Description

하이브리드형 하·폐수 고도처리 장치{Waste-water Treatment Apparatus}

현재까지 하·폐수 처리장은 대부분 유기물과 고형물에 중점을 둔 활성슬러지 공법으로 설계되어 가동되어 왔지만 이와 관련된 법규는 기존의 유기물 이외에 고도처리공정에 초점이 맞추어져 이에 관한 부분이 강화되고 있는 추세이다. 반면, 현재 국내의 경우, 고도처리 공정설치가 미비하며, 운영되고 있는 고도처리 시설 또한 외국의 공법을 그대로 들여와 설치된 것들이 많아 낮은 C/N(탄소/질소)비를 갖는 국내 하·폐수 처리에는 부적합한 경우가 많고, 폐수 처리도 방류수 수질기준에 맞추어 처리하는 것이 어려운 실정이다. 그러나 상기와 같은 문제점을 극복하기 위하여 국내 하·폐수 처리장을 전면적으로 교체하는 것은 현실상 불가능하고, 이를 보완하기 위한 리트로피팅(retrofitting) 기술 역시도 아직까지는 미비한 수준에 불과하다.

미생물 연료전지 개념으로 대변되는 전극시스템을 이용한 기술은 폐수처리를 수행하면서 바로 전기를 얻을 수 있다는 장점으로 인하여 연구자들로부터 높은 관심을 받고 있는데, 이러한 미생물 연료전지에 의한 처리는 대부분 acetate, butyrate, glucose 또는 폐수의 복잡한 유기물들을 다양한 탄수화물로 변환시키는데 사용되어 왔다 (Chaudhuri S. K. et al ., Nat . Biotechnol ., 21:1229, 2003; Oh S. E. et al,, Water Res ., 39:4673, 2005). 그러나 폐수는 유기물 외에도 인이나 질소 화합물 같은 다른 화합물을 함유하고 있으므로 유기물과 영양물질을 동시에 제거할 수 있는 새로운 개념의 하 · 폐수 처리 시스템의 개발이 요구된다.

종래의 연구결과에 의하면, 환원전극조 반응이 전극시스템의 주요 제한요소가 되고 있는데, 구체적으로, 유기물 산화로부터 발생하는 전자를 산화전극조에 장착된 산화전극에 이동하는 매개체로 과산화수소(hydrogen peroxide)나 페리시안 화합물(ferricyanide)을 사용하는 경우, 과산화수소(hydrogen peroxide)는 진공상태의 반응기에 사용되므로 실제에 부합되지 않고, 페리시안 화합물(ferricyanide)은 독성이 있고 비재생적이므로 현실적인 적용에 제한이 따르는 문제점이 발생한다. 또한, 산소의 낮은 환원을 극복하기 위해 고가의 플래티늄 코팅전극을 사용하는 것도 고비용으로 인해 이용에 제약을 받는다 (Tartakovsky B. et al ., Biotechnol . Prog ., 22:241, 2006; Rabaey K. et al ., Biotechnol . Lett ., 25:1531, 2003; Rabaey K. et al ., Environ . Sci . Technol ., 39:8077, 2005).

한편, 본 연구과 관련하여 최근에는 생물학적 환원전극(microbial biocathode)에 관심이 집중되고 있으며, 몇몇 연구에서 생물학적 환원전극(microbial biocathode)에서 Mn(Ⅱ)이나 Fe(Ⅱ)을 전자매개체로 사용하고 마지막 전자매개체로 산소를 사용하는 것이 보고되었고, 환원전극으로 흑연(graphite)을 사용했을 때, Geobacter sp . 종류의 미생물은 직접적으로 환원전극 반응조에서 질산을 아질산으로 전환하는데 필요한 전자를 사용하는 것으로 보고되었으며, 비슷한 시스템을 사용한 다른 결과에서도 환원전극으로부터 전자를 소비하는 미생물에 의해 질산염은 질소가스로 완전히 감소함이 보고되었다 (Rhoads A. et al ., Environ . Sci. Technol ., 39:4666, 2005; Lopez-lopez A. et al ., Biotechnol . Bioeng ., 63:79, 1999; Gregory K. B. et al ., Environ . Microbiol ., 6(6):596, 2004).

종래기술과 관련된 특허로는‘용수살균방법 및 이것에 이용하는 용수처리장치(대한민국 특허공개 제10-1998-0017974호)’,‘고성능의 유니트 형 플랜트화 설비를 이용한 유기성 폐기물 처리(대한민국 특허등록 제10-0325886호)’,‘수처리장치(대한민국 특허공개 제10-2007-0106952호)’,‘전기화학적 접촉산화환원반응에 의한 폐수처리공정에서의 슬러지 감량화 방법(대한민국 특허등록 제10-0416653호)’및‘하폐수 처리 장치( 대한민국 특허등록 제10-0481445호) 등이 있다.

최근 다목적댐 상류지역의 하수처리장 확충 사업 추진 등에 따라 중 소규모 처리 시설의 설치 및 개선의 필요성이 더욱 커지고 있는 실정으로, 적은 부지로 설치 및 운전이 가능하고, 기존 처리 시설을 개조하여 적용하기가 쉬우며, 운전이 간 편한 공법, 즉, 비교적 설치비용과 유지비용이 저렴하면서도 낮은 C/N(탄소/질소)비로 대변되는 국내 하·폐수 특성에 적합한 자연 친화적인 고도 처리 공정이 시급히 요구된다.

이에, 본 발명자들은 유기물과 영양물질을 동시에 제거할 수 있으면서 국내 하·폐수 처리에 적합한 고도처리 공정을 개발하고자 예의 노력한 결과, 전극시스템과 생물학적 처리조가 결합된 반응조를 제작하고, 제작된 반응조의 운전에 따른 질소, COD 및 전압 변화를 확인한 결과, 질산염과 유기물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전기 생산까지 증대시킬 수 있으므로 하·폐수의 고도처리에 매우 효율적임을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 유기물과 영양물질을 동시에 처리할 수 있으며, 국내 하 ·폐수의 고도처리 공정에 적합한 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하나 이상의 혐기조 및 무산소조를 각각 포함하되, 상기 혐기조와 무산소조는 양이온투과막으로 구획되며, 상기 혐기조는 유기물산화미생물 및 산화전극을 포함하고, 상기 무산소조는 탈질미생물이 표면에 부착된 환원전극을 포함하며, 상기 산화전극 및 환원전극은 저항기가 장착된 전선으로 연결된 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법은 설치비용 및 유지비용이 저렴하면서도, 낮은 C/N(탄소/질소)비를 갖는 국내 하·폐수 처리에 적합하므로 자연친화적인 고도처리 방법으로 이용될 수 있다.

본 발명은 일 관점에서, 하나 이상의 혐기조 및 무산소조를 각각 포함하되, 상기 혐기조와 무산소조는 양이온투과막으로 구획되며, 상기 혐기조는 유기물산화미생물 및 산화전극을 포함하고, 상기 무산소조는 탈질 미생물이 표면에 부착된 환원전극을 포함하며, 상기 산화전극 및 환원전극은 저항기가 장착된 전선으로 연결된 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템에 관한 것이다.

‘하이브리드’란 특정한 목표를 달성하기 위해 두 개 이상의 요소가 합쳐진 것을 의미하며, 본 발명에서는 산화전극 및 환원전극을 포함하는 전극시스템과 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물 처리조가 결합된 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 혐기조의 유기물산화미생물은 상기 산화전극의 표면에 부착되거나 혐기조내에 부유하고 있는 것임을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 유기물산화미생물은 Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus 및 Achromobactor로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.

특히, 상기 이외에도 통상적인 유기물산화가 가능한 미생물을 이용할 수 있는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 양이온투과막은 포셀린 멤브레인 및 유기성 고분자 멤브레인으로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 시스템은 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물 처리조의 후단에 연결된 것임을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, 상기 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법에 관한 것이다.

본 발명의 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법은 산화전극 및 환원전극을 포함하는 전극시스템과 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물 처리조가 결합된 것을 특징으로 하는 것으로, 설치비용 및 유지비용이 저렴하면서도, 낮은 C/N(탄소/질소)비를 갖는 국내 하·폐수 처리에 적합하므로 자연친화적인 고도처리 방법으로 이용될 수 있다.

본 발명에서는, 전극시스템은 양이온만을 선택적으로 투과하는 양이온투과막에 의해서 조가 분할되고, 산화전극이 장착된 산화전극조와 환원전극이 장착된 환원전극조가 각 조에 장착되는데, 각 조의 전극은 외부저항기에 전선으로 연결된다. 산화전극조에서는 미생물에 의해 유기물이 산화될 때 발생되는 전자를 미생물에 의해서 산화전극에 전달시키고, 산화전극에 전달된 전자는 외부전선을 통하여 저항기를 거쳐 환원전극으로 이동되며, 이동된 전자는 환원전극의 표면에 부착된 미생물에 전달되고 부착된미생물은 전자를 받아 환원전극조의 영양염류를 환원시키는 데 사용한다. 상기 전극시스템은 외부에서 별도의 전원 공급없이 단순히 반응조에 전극만을 장착하고 이 전극들을 전선을 통하여 외부저항기에 연결시키는 것으로서, 외부에서 전기를 공급하여 운전하는 전기분해 장치와는 개념 및 작동 원리가 다른 시스템이다 (도 1 참조).

하·폐수 내의 질소성분은 유기질소와 무기질소의 형태로 존재하며, 이들을 합하여 총질소라 한다. 무기질소는 다시 암모니아성 질소와 질산성 질소로 구분되는데, 암모니아성 질소와 유기질소를 합하여 TKN(Total Kjeldahl Nitrogen)이라 한다. 하·폐수 중으로 유입되는 질소 성분은 대부분 TKN 형태이며, 이들은 일반적으로 질산화와 탈질화의 2단계 과정에 의한 생물학적 처리방법에 의하여 처리된다. 즉, 질산화 단계에서는 호기성인 질산화균에 의해 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되며, 탈질 단계에서는 무산소 조건 하에서 산소 대신에 질산성을 질소로 전자수용체로 사용하여 탈질 세균이 유기물을 산화시키고 질산성 기체는 질산 기체로 환원시켜 대기 중으로 방출시킨다.

탈질 반응은 유기물이 있는 경우와 없는 경우로 구분할 수 있다. 유기물이 없는 경우를 내생 탈질 반응이라고 하며, 탈질 속도가 느려 긴 체류 시간을 요구하는 반면, 유기물이 있는 경우는 탈질 속도가 매우 빠르기 때문에 체류 시간을 단축시킬 수 있다. 유기물이 있는 경우의 구체적인 탈질 속도는 유기물의 종류에 따라 달라질 수 있다.

일반적으로 무산소 탈질 반응조에서 미생물에 의한 생물학적 탈질 반응이 유지되기 위해서는 질소에 대한 탄소의 비율이 3 이상을 유지해야 한다. 이것은 10㎎/ℓ의 질소를 제거하기 위해서는 30/ℓ의 유기성 탄소가 필요하다는 것을 의미하는 것이다. 이러한 이유 때문에 하·폐수 처리시설에는 질산염을 생물학적으로 제거하기 위한 폭기반응조와 무산소 탈질 반응조를 병렬로 배열하고 초산염, 메틸알콜 등의 탄소원을 공급하면서 장시간의 반응시간을 유지해야 한다. 또한, 이러한 탄소원 은 질산염 제거 후에도 잔류하여 하·폐수의 BOD를 증가시킨다.

본 발명에서는 미생물학적 질산제거 반응 시 탄소원으로부터 미생물의 질산염호흡대사에서 필요로 하는 환원력을 공급받는 대신 전극시스템을 설치하여 이를 통하여 전달된 전자를 이용하여 미생물학적으로 질산을 환원시키는 방법에 착안하였다.

본 발명에 따른 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템은 다양한 형태로 적용 및 실시될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템을 모식적으로 도식화한 것으로, 일반적인 고도처리공정의 혐기조, 무산소조(도 2 참조)에 본 발명의 전극시스템을 장착하여 탈질효율을 극대화하고 인의 방출을 유도시킨 후, 호기조를 연결하여 질산화 및 세포합성에 의한 인의 제거를 수행할 수 있다. 고도처리공정 개선을 위하여 산화용전극과 환원용전극을 각각 혐기조와 무산소조에 배치하여 혐기조의 미생물이 유기물을 산화하면서 제공하는 전자를 별도의 매개체를 사용하지 않고 직접 산화용전극을 통하여 무산소조에 설치된 환원용전극으로 이송한 후, 무산소조의 질산성 질소가 전자 수용체(electron accepter)로 작용하여 환원용 전극표면에서 방출되는 전자에 의해 질산성 질소를 분자성 질소로 환원시킴으로써 경제적으로 하·폐수를 고도처리할 수 있도록 설계되었다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템을 모식적으로 도식화한 것으로, 기존 생물학적 처리공정의 후단에 별도로 설치하여 기존 생물학적 처리공정의 유출수에 존재하는 영양염류를 제거하는 데 사용될 수 있다. 산화전극이 장착된 산화반응조에는 하·폐수의 유입수를 유입시키고, 환원전극이 장착된 환원반응조에는 기존 처리공정의 유출수를 유입시키면 산화반응조의 유기물 산화에 의해 발생되는 전자가 전선을 통해 환원반응조로 이동하게 되어 환원반응조의 영양염류를 제거하게 된다. 산화반응조에 유입된 유입수는 다시 기존 처리공정으로 반송되며, 환원반응조로 유입된 기존 공정의 유출수는 영양염류가 제거된 채로 방류하게 된다. 통상적으로 기존 처리공정의 유출수는 유기물이 거의 존재하지 않으므로 유출수에 존재하는 영양염류를 일정 수준 이상으로 제거하기 어려우나, 상기와 같은 구성에 의하면, 후단에 장착된 별도의 전극반응조의 환원조에서 영양염류가 추가로 제거될 수 있으므로 이러한 반응조를 거쳐 방류수를 방류하게 되면 안정적인 방류수 수질을 유지할 수 있다 (도 5 참조).

상기와 같은 전극시스템의 도입은 복잡한 구조물의 설치가 필요없고, 우리나라와 같이 C/N(탄소/질소)비가 낮은 하·폐수에 대해서 별도의 유기물의 부가없이 전극시스템에 의해 이송되는 전자에 의해서 획기적으로 영양염류를 제거할 수 있는 장점을 가진다. 생물학적 처리조의 미생물에 의해서 유기물 및 영양 염류의 산화와 환원을 자연스럽게 유도하여 이를 고효율로 처리할 수 있는 공정으로, 불필요한 소요 동력을 최소화 할 수 있어 초기 투자비 및 유지 관리비를 획기적으로 절감시킬 수 있고, 복잡한 유지관리 기술이 요구되지 않아 편리하게 유지관리 할 수 있는 경제적인 공정이며, 다양한 전극의 변형을 통하여 고도 처리 공정과 연계 운전할 수 있는 범용적 공정에 해당한다. 따라서, 본 발명에 따른 전극시스템이 장착된 생물 학적 처리공정은 기존 활성 슬러지 공정과 고도 처리 공정(A/S, A²/O, 산화구, SBR 등)에 적용할 경우, 질소 제거율을 극대화시킬 수 있고, 기존공정에서 노출되는 한계를 저렴한 시공비와 유지관리비로 공정을 개선시킬 수 있으므로 리트로피팅(retrofitting) 방안으로도 사용할 수 있다.

본 발명에서는 전극시스템과 생물학적 처리조가 결합된 반응조를 제작하고, 제작된 반응조의 운전에 따른 질소, COD 및 전압 변화를 확인한 결과, 본원발명에 따른 전극시스템과 생물학적 처리조가 결합된 반응조를 이용할 경우, 질산염과 유기물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전기 생산까지 증대시킬 수 있으므로 하·폐수의 고도처리에 매우 효율적임을 확인하였다.

이하, 비교예와 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템의 제작 및 운전

하·폐수 고도처리를 위한 전극시스템이 장착된 생물학적 처리조의 시험을 위하여 세 개의 반응구역으로 분리된 반응기를 제작하였다. 각각의 반응조의 용량 은 2.0ℓ로 왼쪽의 두 개의 나란히 있는 반응조는 환원반응조와 산화반응조로서 두 반응조 사이에는 세라믹 막이 설치되도록 설계하였고, 나머지 오른쪽의 다른 하나는 플렉시유리막(Plexiglas-wall)으로 완벽히 분리되도록 설계하여 환원반응조의 대조군으로 비교하였다 (도 6 참조). 혐기소화 슬러지와 SBR(Sequencing Batch Reactor)를 통해 충분한 질산화 미생물을 함유하고 있는 슬러지를 배양(1회 운전조건: 수력학적 체류시간 :4.25; 원수주입시간(Hr):0.5; 무산소조건시간(hr):4.0; 산소운전조건(hr):6.5; 침전시간(hr):0.5; 배출시간(hr):0.5; 배출량/회(L):2.235; 합성 폐수 조성:암모니아성 질소, 300mg/L; 중탄산나트륨, 1.8g/L; 탄산나트륨, 0.9g/L; 10mM 인산용액; 미량금속 2mL/L; 실온에서 3개월 이상 배양)하여 이 배양된 슬러지를 각각 산화·환원 반응조에 접종하되 그 농도는 2,000 mg/L가 되도록 하였다. 산화반응조는 합성폐수를 이용하여 연속적으로 운전되었고 포도당은 1.0g COD/ℓ를 주입하였으며 단일기질로 사용하였고, 합성폐수는 연속적으로 환원반응조에 1.4mL/L로 유입되었다. 모든 반응조의 수력학적 체류시간(HRT)은 1일이었고, 외부저항기를 이용하여 50Ω과 175Ω의 외부저항 하에서 운전하였다.

실시예 2. 하이브리드형 하·폐수 고도처리 시스템의 효율 확인

반응기에서의 운전조건을 달리하여 이에 따른 질소, COD 및 전압 변화를 확인하였다.

질소 변화량 확인 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, 질산화 미생물을 환원반응조에 주입한 이후 암모니아성 질소의 농도는 감소하였고, 감소한 암모니아성 질 소는 대부분 질산성 질소로 산화되었다. 상기와 같은 결과는 산화전극으로부터 제공된 전자가 환원반응조의 질산화 미생물에 제공되어 결국 암모니아성 질소의 질산성 질소로의 산화에 사용됨을 보여주는 것으로, 암모니아성 질소의 농도를 50 ㎎/ℓ에서 100 ㎎/ℓ로 증가시켰을 때 더욱 두드러지게 나타났고, 이로써 비교반응기에 비하여 완전한 암모니아성 질소의 산화가 이루어짐을 알 수 있었다.

COD 변화량 확인 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 산화반응조의 유기물은 미생물의 산화에 의해 거의 대부분 산화됨을 알 수 있었다. 이 산화 반응의 결과로 발생한 전자는 산화전극으로 이동되고 결국 도 7에서와 같이 환원반응조에서 필요한 전자의 공급원으로 작용함을 확인할 수 있었다.

전압 변화량 확인 결과, 도 9의 A에 나타난 바와 같이, 전압은 서서히 증가하여 48일째에 140㎷에 도달하는데, 전압이 향상되는 시점인 이 단계는 산화전극에 생물막이 형성되어 전기화학적인 미생물의 활성을 높이는 적응단계라 할 수 있다.

분극곡선(Polarization curve) 결과에 따르면, 도 10에 나타난 바와 같이, 175Ω의 외부저항에서 49일째 최대전력밀도(maximum power density)는 22 ㎽/㎡로확인되었다 (도 10의 B 참조). 이후 51일부터 실험의 마지막까지 외부저항값은 175Ω로 운전하였는데, 운전을 시작하자마자 전압은 440㎷로 급격히 증가하였으며, 51일째부터는 인산완충액을 질산화를 위한 기질(NH₄ ⁺-N: 50㎎/ℓ, Alk./N = 8)로 교체하였으나 전압의 변화는 관찰되지 않았다. 환원반응조에 질산화 미생물을 주입하고 14시간이 지난 후, 전압은 470㎷로 올라갔고 이후로 80일이 될 때까지 변하지 않았 으며 78일째에 환원반응기의 NH₄ ⁺-N의 농도가 100㎎/ℓ로 증가하였다 (Alk./N = 8). 80일째 Alk./N의 비를 6으로 낮추자 전압이 빠르게 증가하여 560㎷까지 증가하였다 (도 10의 A 참조). 최대전력밀도는 37 ㎽/㎡로 나타났으며, 최대전압은 877㎷로 나타나 저항을 연결하지 않은 상태임에도 불구하고 높은 전압을 나타내었음을 확인하였다. 이는 지금까지 보고된 시스템에서 유례를 찾아보기 힘든 결과로서, 자연적인 질산화 작용으로 인해 생성된 양성자가 환원반응을 증가시킬 수 있다는 가능성을 나타낸 것이며, 환원전극에서 암모니아를 산화시키는데는 많은 양의 알칼리도가 필요하지 않다는 것을 나타낸 것으로, 상기와 같은 결과는 환원전극에서 산소의 환원으로부터 OH^-그룹이 생성될 수 있기 때문으로 사료된다.

환원반응조에서 질산화 미생물을 주입하였을 경우에는 미생물이 존재하지 않은 반응기보다 높은 전압량을 나타내었다. 구체적으로, 환원전극에서 충분한 질산화를 위하여 알칼리도/NH₄ ⁺-N 비율을 8로 하여 운전하였을 때, 최대전력밀도는 22㎽/㎡에서 26㎽/㎡로 18% 증가하였으며, 알칼리도/NH₄ ⁺-N의 비율은 상기와 같이 유지해주면서 NH₄ ⁺-N의 농도를 50㎎/ℓ에서 100㎎/ℓ로 증가시켜 운전하였을 때에도 전압 산출량은 크게 다르지 않았으나 알칼리도/NH₄ ⁺-N 비율을 6으로 감소시켜 운전하였을 때는 전압이 두드러지게 증가하였다. 미생물을 주입하지 않은 전극시스템과 비교하였을 경우, 최대전력밀도는 22㎽/㎡에서 37㎽/㎡로 68%나 증가하였고 사용한 NH₄ ⁺-N은 대부분 환원전극에서 NO₃ ^--N으로 전환되었으며, COD 제거 효율 또한 98%로 높게 나타남으로써 미생물 활동성과 전류의 손실이 질산화를 위한 환원전극이 운전되는 기간 동안에 감소된다는 것을 확인할 수 있었다.

결론적으로, 상기와 같이 질산화를 위한 환원전극을 적용한 처리 시스템을 이용할 경우, 질산염과 유기물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전기 생산까지 증대시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 전극시스템에 의한 유기물 제거 및 영양염류 제거 원리를 나타낸 것이다.

도 2는 기존 고도처리공정의 일예(A₂0 공정)를 나타낸 것이다.

도 3은 기존 고도처리공정(A₂0 공정)의 내부에 본 발명의 전극시스템이 장착된 공정을 도식화한 것이다.

도 4는 기존 고도처리공정(A₂0 공정)의 후단에 본 발명의 전극시스템이 장착된 공정을 도식화한 것이다.

도 5는 도 4의 기존의 고도처리공정 후단에 설치된 반응조를 확대한 것으로, 본 발명의 전극시스템이 장착된 산화·환원 반응조를 확대한 것이다.

도 6은 본 발명의 전극시스템이 장착된 산화·환원 반응조(실험군과 대조군)를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명의 전극시스템이 장착된 환원반응조를 운전하였을 때,질소의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 전극시스템이 장착된 산화반응조를 운전하였을 때, COD의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 9의 A는 본 발명의 전극시스템이 장착된 산화·환원 반응조를 운전하였을 때, 전압의 변화를 나타낸 그래프이고, B는 환원반응기에 질산화 미생물을 주입한 후 2시간 동안의 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 10은 전극시스템이 장착된 산화·환원 반응조를 운전하였을 때, 분극곡선을 나타낸 것으로 A는 전류 대 전압, B는 전류 대 전력을 나타낸 그래프이다.

Claims

하이브리드형 하·폐수 고도처리 장치에 있어서,

하나 이상의 혐기조 및 무산소조를 각각 포함하되, 상기 혐기조와 무산소조는 양이온투과막으로 구획되며,

상기 혐기조는 유기물산화미생물 및 산화전극을 포함하고, 상기 무산소조는 탈질미생물이 표면에 부착된 환원전극을 포함하며, 상기 산화전극 및 환원전극은 저항기가 장착된 전선으로 연결된 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 하·폐수 고도처리 장치.
다음 단계를 포함하는, 제1항의 하·폐수 고도처리장치를 이용한 하·폐수 고도처리방법:

(a) 유기물산화미생물 및 산화전극을 포함하는 혐기조에 유기물 및 영양염류를 유입시킨 다음, 상기 유기물산화미생물 및 산화전극을 이용하여 유기물 및 영양염류를 산화시키는 단계; 및

(b) 상기 산화된 유기물 및 영양염류를 탈질미생물이 표면에 부착된 환원전극을 포함하는 무산소조에 유입시킨 다음, 상기 환원전극을 이용하여 산화된 유기물 및 영양염류를 환원시키는 단계.