KR101088105B1 - 나선형 구조물이 구비된 생물막 반응기 및 이를 이용한수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형 구조물이 구비된 생물막 반응기 및 이를 이용한 수처리장치에 관한 것으로, 본 발명의 생물막 반응기는 유입수를 유입하기 위한 유입관과, 공기가 유입되는 공기 유입관과, 상기 유입관과 공기 유입관을 통해 유입된 물과 공기가 반응기 내부를 통과한 후 배출되도록 유출관이 구비된 반응기에 있어서, 상기 공기 유입관으로부터 유입된 기포의 흐름을 유도하고, 체류시간을 증가시켜 산소전달률을 높이도록 상기 공기 유입관에서부터 상기 유출관까지 나선형 유로를 형성하는 나선형 구조물이 반응기 내부에 삽입되고, 상기 나선형 구조물에 미생물의 부착을 통한 생물막을 형성시켜 부유생장과 부착생장의 미생물 생장 조건을 동시에 구현하며, 교반을 위한 특별한 동력 소모 없이도 수중의 용존산소농도를 효과적으로 높여주고, 미생물의 농도를 증가, 유지시키는 효과를 갖는다.

반응기(Reactor), 생물반응기(Bioreactor), 이중나선(Double Helix), DNA, 나선형(Spiral), 용존산소(Dissolved Oxygen), 체류시간(Residence Time), 생물막(Biofilm), 수처리(Wastewater Treatment)

Description

나선형 구조물이 구비된 생물막 반응기 및 이를 이용한 수처리장치{Biofilm reactor having a helix structure and apparatus for water treatment using the same}

본 발명은 나선형 구조물이 구비된 생물막 반응기 및 이를 이용한 수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응기 내부에 나선형 구조물을 설치하여 수중의 기포의 흐름을 유도하여 체류시간을 증가시켜 기존의 물리˙화학 공정, 생물 공정 반응기의 산소전달 효율을 증가시키고, 나선형 구조물에 미생물을 부착시켜서 하나의 반응 시스템 내에 부유생장과 부착생장 환경을 조성하고 미생물을 농축 배양시켜 생물반응시스템의 효율을 높일 수 있는 생물막 반응기 및 이를 이용한 수처리장치에 관한 것이다.

용존산소(Dissolved Oxygen, DO)는 수중에 녹아있는 산소의 농도를 나타내는 지표로써 물리˙화학 공정, 생물 공정의 주요 운전조건 중 하나이다. 특히 생물학적 공정에서 용존산소는 호기성 미생물의 생장요건 및 활성도에 영향을 미치는 중요한 요인이며(Unit Operation and Unit Process in Environmental Engineering Second Edition Reynolds/Richards), 공정 및 산업분야에 따라 물리˙화학 공정에 서도 산소의 효과적인 용해는 매우 중요하다. 그러나 산소는 용해도가 낮은 대표적인 기체 중 하나로써 효과적으로 수중의 용존산소농도를 높이는 데는 상당한 어려움이 따르며 실제로 많은 이들이 반응기 내의 효과적인 용존산소 농도 증가 방안에 대해 관심을 기울여 왔다. 다양한 형태의 임펠러를 장착하여 교반효과를 증대시켜 폭기 효율을 증가시키는 방법(Bioprocess Engineering Basic Concepts Second Edition Michael L. Shuler/Fikret Kargi), 미세기포 발생장치를 반응기에 장착하여 물의 단위 부피 용적에 접촉하는 기포의 표면적을 넓혀서 산소전달 효율을 증가시키는 방법(미세기포발생 장치를 이용한 폐수처리 시스템 / waste water process system used microbubble generator <등록번호 : 0315903>), 기포 내부의 산소 농도를 높여서(고순도 산소) 기포와 반응기 내의 물과의 산소농도 구배 차이를 이용하여 용존산소를 증가시키는 방법(Airlift Bioreactors 1989 M.Y. Chisti)들이 그 대표적인 예이다. 실제로 위의 방법들을 통하여 시스템에서 요구되는 양만큼의 용존산소농도의 증가를 달성할 수 있었다.

그러나 모두 높은 동력비를 요구하는 한계점을 갖고 있었다. 한 예로 생물학적 폐수처리 공정의 경우 외국 문헌에서는 일반적으로 생활하수처리장의 총 동력비의 70%가 폭기 비용으로 사용되고 있다고 보고하고 있다(Investigation of oxygen transfer rates in full scale membrane bioreactors Water Science & Technology 2003, P. Cornel, M. Wagner and S. Krause). 실제로 임펠러를 연속적으로 회전시거나 미세한 기포를 만들기 위해서는 지속적으로 동력이 필요하며, 순수한 산소를 만드는 방법 또한 많은 동력비가 소모되고 대규모 처리설비에 적용되기 어렵다는 한계점이 있다. 또한, 기포의 체류시간을 증가시키기 위한 또 다른 방법으로는 반응기의 높이를 길게 하는 방법이 있으나 이렇게 할 시 수압이 높아져서 산기관에서 기포를 뿜어내는데 많은 에너지가 요구된다는 단점이 있다.

한편, 미생물을 이용하는 생물공정들에서는 각 시스템에서 중요한 역할을 하는 미생물이 활발하게 생장할 수 있는 조건을 조성하여, 생물반응기 내에 미생물을 높은 농도로 배양하여 공정 효율을 향상 및 유지시켜 주는 것이 매우 중요하다. 한 예로 최근에 수 처리 시 중요하게 생각되고 있는 질산화 미생물의 경우를 살펴보기로 한다. 질산화 미생물의 경우 상대적으로 다른 미생물에 비해서 생장속도가 느리기 때문에 생물 반응기 내에 높은 농도로 유지시켜 주는 것이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 부착, 그래뉼 형성과 같은 고농도 질산화 미생물 증식과 관련된 연구들이 활발히 진행되고 있다. (Characterization of nitrifying granules produced in an aerobic upflow fluidized bed reactor Water Research 2003 Satoshi Tsuneda) 만약에 질산화 미생물이 급격하게 일정량 이하로 감소하여 해당 수 처리 설비의 질산화 시스템이 정상적인 기능을 수행할 수 없게 되면, 법 기준치 이상의 질소화합물을 수계로 배출하여 환경파괴를 유발시키고 기업의 경우 상당량의 벌금을 물어야 한다. 즉, 생물반응기 내의 미생물의 농도를 일정 수준 이상으로 유지시켜 주는 것은 해당 시스템의 성공/실패 여부를 결정하므로 매우 중요하며, 이러한 미생물 농축 배양의 필요성은 수처리 공정뿐만 아니라 미생물을 이용하는 다른 산업분야에도 동일하게 적용된다.

수처리 공정에서는 일반적으로 슬러지 반송율을 조절하여 생물학적 처리 시 스템내의 미생물 농도를 높여 주는 방법이 주로 사용되고 있다. (Wastewater Engineering Treatment and Reuse Forth Edition, Metcalf & Eddy) 그러나 질산화 미생물과 같이 수율(Yield)과 비성장계수(Specific Growth Rate)가 작은 미생물들의 경우 더 특별한 조치를 취해야 하는 경우도 있다.(Nitrification and Denitrification in the Activated Sludge Process Michael H. Gerardi) 이러한 필요들에 의하여 미생물을 담체에 부착시켜서 자라게 하는 담체 공법 등이 개발되어 사용되고 있다. 그러나 이 방법은 충진물을 지속적으로 교체 및 공급해 주어야 하므로 유지 및 관리 비용이 소모되고 그 회수가 용이하지 못할 시에 후단부 설비의 기계적인 결함을 발생시키는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 반응기 내의 용존 산소 농도를 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 반응기 내의 용존 산소를 증가시킬 수 있는 새로운 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 반응기 내에서 비동력 방식으로 용존산소를 증가시킬 수 있는 새로운 방법과 장치에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기포의 체류시간을 증가시켜 반응기 내의 용존산소를 증가시킬 수 있는 신규한 생물막 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 미생물 부착을 유도, 구조물 표면에 생물막을 형성하면서, 용존산소를 증가시켜, 반응기 내부 미생물의 고농도 증식을 가능하게 하여 생물반응시스템 내에 부유생장과 부착생장환경을 동시에 조성하여 외부에서 공급하는 충진물에 의존하지 않고도 반응기 내부의 미생물 농도를 고농도로 유지시킬 수 있는 생물막 반응기 및 이를 이용한 수처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 본 발명은 미생물을 이용하는 모든 생물반응기에 쉽게 적용할 수 있으며, 미생물 고농도 농축 배양을 통한 생물반응시스템 안정화 및 미생물 확보를 위한 비용 절감이 기대된다.

본 발명의 또 다른 목적은 나선형 구조물의 새로운 용존산소 농도 조절 용도를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 유입수를 유입하기 위한 유입관과, 공기가 유입되는 공기 유입관과, 상기 유입관과 공기 유입관을 통해 유입된 물과 공기가 반응기 내부를 통과한 후 배출되도록 유출관이 구비된 반응기에 있어서, 상기 공기 유입관으로부터 유입된 기포의 흐름을 유도하고, 체류시간을 증가시켜 산소전달률을 높이도록 상기 공기 유입관에서부터 상기 유출관까지 유로를 형성하는 나선형 구조물이 반응기 내부에 삽입되고, 상기 나선형 구조물에 미생물의 부착을 통한 생물막을 형성시켜 부유생장과 부착생장의 미생물 생장 조건을 동시에 구현하는 생물막 반응기가 제공된다.

본 발명의 생물막 반응기는 상기 유입관과 공기 유입관은 반응기의 하부에 형성되고, 상기 유출관은 반응기의 상부에 형성되어 상향류의 반응기뿐만 아니라, 그 외에도 하향류나 측방향류가 흐르는 반응기에도 적용이 가능함은 물론이다.

본 발명에 있어서, 반응기의 안정적인 공정 운전을 위하여 반응기 내부의 수소이온농도를 측정하는 페하 미터(pH meter)가 장착된다.

본 발명에 있어서, 반응기 내부의 용존산소를 모니터링 하는 용존산소 미터(DO meter)가 장착되며, 상기 용존산소 미터는 복수개가 설치되는 것이 바람직한데, 이 경우 상기 나선형 구조물에 의해서 분할되는 부위에 하나씩 위치하도록 수위별로 장착된다.

본 발명에 있어서, 반응기의 안정적인 공정 운전을 위하여 온도나 이온을 모니터링하기 위한 모니터링 센서가 장착되는 것도 가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 반응기 내부의 유체 성상을 파악하기 위한 샘플링 포트가 장착될 수 있으며, 상기 샘플링 포트는 복수개가 설치되는 것이 바람직한데, 이 경우 상기 나선형 구조물에 의해서 분할되는 부위에 하나씩 위치하도록 수위별로 장착된다.

본 발명에 있어서, 반응기 내부에 이물질이 침투하는 것을 방지하도록 반응기 덮개가 더 설치될 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수처리장치에 있어서는, 유입수를 유입하기 위한 유입관과, 공기가 유입되는 공기 유입관과, 상기 유입관과 공기 유입관을 통해 유입된 물과 공기가 반응기 내부를 통과한 후 배출되도록 유출관이 구비된 반응기와, 상기 반응기 내부에 삽입되어 상기 공기 유입관으로부터 유입된 기포의 흐름을 유도하고, 체류시간을 증가시켜 산소전달률을 높이도록 상기 공기 유입관에서부터 상기 유출관까지 나선형 유로를 형성하는 나선형 구조물과, 상기 반응기 내부의 유체 성상을 파악하기 위한 샘플링 포트와, 상기 반응기 내부의 용존산소를 모니터링 하는 용존산소 미터(DO meter)와, 반응기 내부의 수소이온농도를 측정하는 페하 미터(pH meter)와, 상기 용존산소 미터에서 측정된 용존산소농도와 상기 페하 미터에서 측정된 수소이온농도를 수신하여 적절한 폭기량과 pH를 계산하여 제어하는 컴퓨터와, 상기 컴퓨터에 연결되어 최적 용존산소 농도까지 요구되는 최소량의 공기를 주입하는 송풍기와, 상기 컴퓨터에 연결되어 pH 조절에 필요한 적정량의 산과 염기를 산/염기 저장조로부터 반응기 내로 주입하기 위한 pH 조절펌프와, 반응기의 안정적인 공정 운전을 위하여 온도나 이온을 모니터링하기 위한 모니터링 센서를 포함하는 수처리장치가 제공된다.

본 발명에 있어서, 상기 용존산소 미터와 샘플링 포트는 복수개가 설치되며, 상기 나선형 구조물에 의해서 분할되는 부위에 하나씩 위치하도록 수위별로 장착되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 유입관에는 유입수 유량조절 펌프와 유입수 조절밸브가 설치될 수 있으며, 상기 유출관에는 유출수 유량조절 펌프와 유출수 조절밸브가 설치될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 공기 유입관에는 반응기 내부로 일정한 양의 공기가 공급되도록 공기조절 밸브가 설치되는 것도 가능하다.

본 발명은 일 측면에 있어서, 반응기의 내부에 반응기 내부에서 기포의 나선형 유로를 형성하는 나선형 구조물이 삽입하여 용존 가스의 농도를 조절하는 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 용존 가스의 농도는 반응기 내부에 삽입되는 나선형 구조물의 피치수에 따라 조절될 수 있으며, 상기 용존 가스는 물에 녹기가 어려운 산소인 것이 바람직하다.

본 발명은 일 측면에 있어서, 반응기 내부에 반응기 내경에 상응하는 직경을 가지는 나선형 구조물이 삽입된 가스 용해 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 일 측면에서, 생물막 반응기에서 용존 가스의 농도를 향상시키고, 미생물이 부착할 수 있는 설치물로서의 용도를 제공한다.

상기와 같은 본 발명의 나선형 구조물이 삽입된 생물막 반응기는 다음과 같은 장점을 제공한다.

첫째, 상기의 발명은 나선형 구조물을 사용하여 기포의 흐름을 나선형으로 유도하여 기포 체류시간이 증대되고. 기포와 물 사이의 접촉 시간을 증가시켜 기포 내부에 있는 산소가 물 안으로 더 잘 녹아 들어갈 수 있도록 한다. 이는 교반에 따른 동력을 소모하지 않고도 반응기 내의 효율적인 용존산소농도 증가를 가능하게 한다.

둘째, 나선형 구조물에 미생물을 부착, 생물막을 형성시켜서 담체와 같은 충진물을 이용하지 않고도 하나의 생물 반응 시스템 내에 부유생장 / 부착생장 조건을 동시에 이룰 수 있게 됨에 따라 고농도로 미생물을 농축 배양할 수 있고, 다량의 미생물을 확보함에 따라 독성물질이 미생물에 미치는 충격을 완화시킬 수 있다. 또한 비성장속도(Specific Growth Rate)와 수율(Yield)이 작은 것으로 알려져 있는 질산화 미생물과 같이 생장하기 어려운 중요 기능성 미생물들의 효과적인 배양을 가능하게 할 것으로 기대된다.

셋째, 상기의 나선형 고효율 반응기는 나선 회전각을 조절하여 원하는 기포 체류시간 구현이 가능하다. 이처럼 각 반응기의 용도에 맞도록 기포의 적정 체류시간을 구현할 수 있게 됨에 따라 불필요하게 작은 직경의 공기방울을 만들어 낼 필요가 없고 동력비의 절감시킬 수 있다.

넷째, 기포가 상승하여 나선형 구조물에 부딪히면서 마찰을 일으킴에 따라 반응기 내부에 와류를 형성하여 교반효과를 일으키고, 보다 효과적인 용존산소농도 증가를 가능하게 한다.

다섯째, 상기 반응기는 DO meter, 컴퓨터, 송풍기가 연결되어 있는 장치로써, DO meter에서 인식된 반응기 내부의 용존산소농도는 컴퓨터로 전송되고 컴퓨터에서 각 공정 운전조건에 따라 요구되는 용존산소농도만큼의 폭기량을 계산해준다. 송풍기에서는 컴퓨터에서 계산된 적정 폭기량 만큼 기포를 상기 반응기 내부에 공급해 주게 되고 이러한 일련의 과정으로 과도한 폭기를 방지하여 동력비를 감소시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 생물막 반응기가 구비된 수처리장치의 전체 공정도를 제공한다. 상기의 발명은 기본적으로 몸체를 이루는 고효율 반응기(1) 내부에 DNA 모방형 나선형 구조물(2)이 설치되어 있다.

상기 반응기(1)에는 유입수를 유입하기 위한 유입관(3)과, 공기가 유입되는 공기 유입관(15)과, 상기 유입관과 공기 유입관을 통해 유입된 물과 공기가 반응기 내부를 통과한 후 배출되도록 유출관(5)이 구비된다.

도면부호 3, 4, 18은 나선형 고효율 반응기(1) 내부로 들어가는 유입수와 관련된 것으로, 각각 유입관(3), 유입수 유량조절 펌프(4), 유입 밸브(18)를 나타낸다. 유입 펌프(4)에 의해서 유입된 물은 반응기 내로 들어가서 나선형 구조물(2)에 유도되어 상기 반응기 상부로 배출되며 이와 같은 유출 흐름에 관련하는 것이 유출관(5), 유출 밸브(19), 유출 펌프(6)이다.

공기는 송풍기(14)로부터 공급되어 공기 유입관(15)을 통하여 반응기 내부로 주입된다. 또한 공기 유입관(15)의 공기조절 밸브(21)는 송풍기(14)와 함께 반응기 내부로 일정한 양의 공기가 공급되도록 돕는 역할을 한다.

상기 나선형 구조물(2)이 삽입된 고효율 반응기(1)는 안정적인 공정 운전을 위하여 pH meter(11), DO meter(9), 모니터링 센서(ex) 온도, 이온 등)(16)를 장착하여 지속적인 모니터링을 위한 장치와, 그 밖에 반응기 내부의 유체 성상을 파악하기 위한 샘플링 포트(8)를 장착하였다. 샘플링 포트(8)는 나선형 구조물(2)에 의해서 반응기 내부가 분할되어 있는 것을 고려하여 수위별로 설치하였다.

본 발명의 반응기는 나선형 구조물(2)로 인한 용존산소증가를 극대화하기 위하여 DO meter(9)를 설치하여 컴퓨터(10)와 연결하였다. 컴퓨터(10)는 송풍기(14)와 연결되어 있어, DO meter(9)에서 측정된 용존산소농도를 파악하여 설계치의 최적 용존산소농도까지 증가시키는데 요구되는 최소량의 공기를 주입하여 동력비 감축을 유도한다. 상기의 반응기에는 pH meter(11)와 pH 조절을 위한 산 / 염기 저장조(13), pH 조절 펌프(12), pH 조절 밸브(20)도 장착되어 있어서 공정의 운전조건 pH를 유지하기 위한 적정량의 산과 염기 주입을 가능하게 한다. 또한 공정의 특성에 따라서 여러 종류의 pH 조절 약품을 선택하여 사용할 수 있다. (ex)염산, 황산, 질산, NaOH 등)

상기 반응기의 내부로 주입해주는 공기는 나선형 구조물(2)을 따라서 반응기 상부로 올라가며 일부는 유출 흐름과 함께 유출관(5)을 통하여 빠져나가고 일부는 대기로 배출된다. 이때, 반응기가 개방형 시스템일 경우 공기는 바로 대기로 배출 되지만 닫힌 시스템일 경우 공기가 나갈 수 있는 배기구를 만들어 주어야 한다.

본 발명의 일실시예에서는 상기 반응기 위에 반응기 덮개(7)를 설치하여, 반응기(1) 내부에 이물질이 침투하지 않도록 하였으며, 공정의 종류와 특징에 따라서 그 설치 유무를 판단하여 장착한다. 공기 유입관(15)을 통하여 유입된 공기는 나선형 구조물에 의해서 나선형으로 흐름이 유도되고, 체류시간이 증가하게 된다. 이는 기포와 물 사이의 접촉 시간을 증가시켜 기포 내부에 있는 산소가 물 안으로 더 잘 녹아 들어갈 수 있도록 하는 역할을 한다. 본 발명의 고안자들은 구조물에 의한 기포 체류시간의 증가효과를 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 이에 대한 사항은 실시 예 1을 참고하길 바란다.

도 2는 본 발명의 나선형 구조물을 확대하여 나타낸 모식도이다. 상기 반응기에 적용한 나선형 구조물(2)은 최소한의 체적으로 효과적인 기포 유도 및 미생물 부착을 목표로 구조물이다. 본 발명자들은 나선형 구조물이 없을 때와 설치했을 때의 기포의 거동을 관찰하였으며 이를 도 3과 도 4에 나타내었다. 도 3은 나선 구조물이 없을 때의 기포의 거동을 나타낸 모식도로써 상기의 반응기(30)와 기포의 거동을 나타낸다. 도 4는 나선형 구조물이 있을 때의 기포의 거동을 나타낸 모식도이며, 반응기(1) 내부에 설치된 나선형 구조물(2)에 의하여 두 개의 독립적인 상향류 흐름이 제공됨을 나타낸다. 이 두 모식도(도 3, 도 4)에 의하면 구조물의 유무에 따라서 반응기 내부에서 기포의 거동 및 그 이동거리가 현저하게 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.

상기 발명의 나선형 구조물(2)은 기포 체류시간 유도 이외에도 여러 가지 기 능을 제공한다. 상기의 반응기(1) 하부로 유입된 기포들은 도 4에와 같이 나선형으로 그 흐름이 유도되어 상승하며, 나선형 구조물(2)과 기포의 흐름 사이에 마찰력을 발생시켜 용존산소 증가 및 교반효과를 제공한다. 또한, 본 발명의 구조물(2)에 미생물을 부착시켜 미생물의 부유생장 및 부착생장 조건을 동시에 구현하여 미생물을 고농도로 유지하게 해 준다.

이하 본 발명의 기포 체류시간 증가에 따른 용존산소농도 증가의 이론적 논리를 구체적으로 설명한다.

연속 공정에서 특정 반응기 내의 산소전달 능력은 그것의 기계적 디자인, 산기관과 임펠러의 기하학적 특징, 교반속도나 공기유량과 같은 운전조건에 의존한다. 이러한 모든 변수들은 하나의 유일한 파라미터로 합쳐질 수 있는데, 그것이 바로 산소전달계수(KLα)이다. 다시 말하면, 산소전달계수(KLα)는 모든 변수를 고려한 산소전달 능력의 지표를 나타낸다고 할 수 있다. (Latin American Applied Research P. JUAREZ and J. OREJAS 2001)

산소 전달의 기본적인 공식은 dC/dt = KLα(Css-C) 이고 여기에서 dC/dt 는 산소 전달률, KLα 은 산소전달계수, Css는 주어진 물리적 조건에서의 포화산소 농도, C는 물 내부의 용존산소농도를 나타낸다. Css를 다르게 표현하자면 해당 시스템의 물리적 조건에서의 산소용해도라고 할 수 있다. (Water Research Connie D. DeMoyer 2002) 위의 산소전달 공식에는 두 개의 독립변수가 존재 하는데 산소 전달 계수(KLα)와 포화 산소 농도 Css이다. 그러나 Css는 온도, 압력, 용매의 점성, 용매에 녹아 있는 이온들의 농도 등의 물리적인 조건에 의해서 변하는 파라미터로, 기포 체류시간과는 관련이 없다. 따라서 본 발명의 DNA 모방형 나선형 구조물(2)에 의한 기포 체류시간 증가에 따른 용존산소증가 원리는 산소전달계수(KLα)의 증가로 설명될 수 있다.

다시 말하면, 동일한 물리적 조건에서 Css-C항이 같은 값이므로 산소전달률(dC/dt)은 산소전달계수(KLα)에 비례하여 증가할 것이다. 본 발명의 고안자들은 위와 같은 논리에 근거하여 구조물의 회전 수 및 공기 유량을 변화시켜 가면서 산소전달계수 값을 측정하여 기포 체류시간 증가에 따른 산소전달률 증가의 평가 근거를 마련하였다. 본 발명자들은 용존산소농도를 0mg/L 로 떨어뜨린 후 공기를 공급하여 시간에 따른 용존산소농도 데이터를 얻고 이것을 가지고 회귀분석을 수행하여 산소전달계수를 측정하고 대조군(무회전) 대비 나선형 구조물 나선회전수별로 산소전달계수를 비교, 평가하였다. (Bioprocess Engineering Basic Concepts Second Edition Michael L. Shuler/Fikret Kargi) 이에 대한 구체적인 사항은 실시 예 2를 참고하길 바란다.

상기 발명의 고안자들은 나선형 구조물에 의한 용존산소농도 증가 평가의 또 다른 근거로 일정한 용존산소농도까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 대조군(0회전)과 1회전, 2회전을 비교하여 보았고 실시 예3 에 본 실험결과의 자세한 사항을 기재하였다.

<실시 예 1> 구조물 회전수에 따른 공기방울의 체류시간 증가 확인 실험

본 발명자들은 구조물 삽입 여부 및 구조물 회전수 변화에 따른 기포의 체류시간 변동을 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 먼저 직경 17cm 의 원통형 반응기 에 수두가 28.5cm가 되도록 물을 채워 넣고 반응기의 바닥 부분에 산기관을 설치하였다. 구조물의 회전수는 28.5cm의 수두 안에서 1회전 및 2회전의 이중 나선회전수를 부여하였고, 대조군을 포함한 총 세 개의 실험세트에서 각각 다섯 번의 반복 실험을 수행하여 기포 체류시간의 평균과 표준편차를 측정하였다. 기포 체류시간의 정의는 기포가 산기관에서 뿜어져 나와서 수표면에 도달하는 데까지 걸리는 시간으로 하였다.

표 1. 나선회전수에 따른 기포 체류시간 ( 단위 : 초<second> )

구조물의 회전수	측정 1	측정 2	측정 3	측정 4	측정 5	평균	표준편차
무회전 (대조군)	1.00	1.07	1.02	1.01	1.02	1.024	0.0270
1회전	1.17	1.15	1.23	1.17	1.09	1.162	0.0502
2회전	1.52	1.7	1.72	1.48	1.75	1.634	0.1244

실험 결과 대조군에서 보다 나선형 구조물을 설치한 경우의 기포 체류시간이 1회전일 때는 12%, 2회전의 경우에는 60% 정도 증가하였다. 이 자료는 구조물 삽입에 의한 기포 체류시간 증가 효과를 직관적으로만 가늠 하던 것을 수치적으로 정량화 한 것에 의의가 있다. 또한 실시 예 1은 나선형 구조물의 회전수가 증가함에 따라 기포 체류시간이 증가함을 명확하게 보여준다. 이에 대한 보충 자료는 도5를 참고하길 바란다.

실 규모 공정에서는 반응기의 스케일(직경, 높이, 부피)이 매우 커지므로 나선형 구조물 설치에 따른 기포 이동거리 증가율은 랩 스케일 규모에서의 그것에 비해 커지게 될 것이다. 이러한 이유로 실 규모 공정에서는 상대적으로 더욱 큰 기포 체류시간 증가 달성이 기대된다. 또한 본 발명의 DNA 모방형 나선형 고효율 반응기는 반응기 자체의 밑넓이, 높이 등을 제어함으로써 원하는 기포 체류시간을 구 현할 수 있는 장점을 제공한다. 또한, 주어진 반응기 규격에서 나선형 구조물의 회전각을 조절하여 반응기 내의 기포 체류시간 및 용존산소농도를 조절할 수 있다.

<실시 예 2> 공기 유량 및 구조물 회전수에 따른 산소전달계수 값 ( KL α)

(Bioprocess Engineering Basic Concepts Second Edition Michael L. Shuler/Fikret Kargi)

나선형 구조물(2)에 의한 용존 산소 농도 증가 평가 항목 중 하나로 산소전달계수를 선정한 이유는 앞서 발명의 구성에서 말한 바와 같다. 본 발명의 고안자들은 나선형 구조물 삽입 및 회전수 변화에 따른 산소전달계수를 측정하고 실험 세트별로 비교하여 상기의 발명이 산소전달 효율 증가에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다.

먼저 원통형 반응기에 6L의 물을 채워 넣고 나선형 구조물 삽입 한 후, 질소가스를 용존산소농도가 0mg/L가 될 때까지 불어 넣어 주었다. 용존산소농도를 0mg/L로 낮춰 준 후에 각 실험 세트 별로 일정한 유량의 공기를 공급해 주면서 용존산소농도를 10초 단위로 기록하였으며, 참고로 모든 실험 세트의 용존산소농도는 동일한 지점에서 측정하였다. 이렇게 구하여진 ??용존산소농도-시간” 의 실험 데이터를 가지고 회귀분석을 수행하여 산소전달계수를 구하였다. 구조물의 회전수 변화는 0회전, 1회전, 2회전으로 하였고 일정하게 공급해 주는 공기유량은 1L/min, 2L/min, 3L/min, 4L/min, 5L/min 으로 하여 반복 실험하여. 각각의 실험세트에 대한 산소전달계수 값을 구하였다. 다음의 표2는 나선형 구조물(2)의 회전 수 및 공기유량 변화에 따른 산소전달계수 값을 제공한다.

표2. 공기 유량 및 나선회전수에 따른 산소전달계수 <KLα 값> (단위 : hr-1)

공기유량	대조군 A	1회전 B	2회전 C	증가율(%) (B-A)/A x 100	증가율 R2(%) (C-A)/A x 100
1L/min	9.40	11.11	12.08	18.2	28.5
2L/min	17.44	18.77	20.96	7.7	20.2
3L/min	21.99	23.21	25.22	5.5	14.7
4L/min	25.39	25.66	26.71	1.1	5.2
5L/min	29.75	30.70	31.69	3.2	6.5

도 6은 나선형 구조물(2)의 회전 수 및 공기 유량에 따른 산소전달계수의 막대그래프를 제공한다. 본 실험의 목적은 나선형 구조물이 산소전달계수에 미치는 영향을 파악하는 것임으로 같은 공기량에서 서로 다른 회전수의 산소전달계수를 비교하는 것이 타당하다고 판단하였고, 그에 대한 결과물로 나선형 구조물 회전수에 따른 산소전달계수 증가율을 도출하였다. 도7은 앞서 언급한 대조군 대비 나선형 구조물(2)의 설치시의 산소전달계수 증가율을 그래프로 제공한다.

실시 예 2의 결과 각각의 공기 유량에서 구조물의 회전수가 증가함에 따라 산소전달계수 값이 증가하는 경향을 보였다. 특이한 점으로 상대적으로 저폭기 조건에서의 나선형 구조물(2)에 의한 산소전달계수 증가율이 높았으며, 특히 1L/min의 공기유량에서의 나선 2회전 시의 산소전달계수 값은 대조군의 실험 세트 대비 30% 가까이 증가하였다. 이는 본 발명의 주요 목적 중 하나인 단위 폭기량 당 고효율의 용존산소농도 증가를 설명하는데 매우 설득력 있는 근거가 된다.

<실시 예 3> 기준 용존산소 농도에 도달하는데 걸리는 시간

(기준 용존산소 농도 - 실험 조건에서의 포화 용존산소농도의 90% 용존산소농도 8.3 mg /L)

본 발명자들은 상기 반응기의 우수함을 증명하기 위하여 실시 예 2와 동일한 실험 조건에서 기준 용존산소농도를 정하고 해당 용존산소농도에 도달하는데 까지 걸리는 시간을 측정하여 비교하였다. 기준 용존산소농도는 실험 시 온도 범위(20.3-20.9℃)와 압력(1atm) 조건에서의 포화 용존산소농도 9.22.mg/L-9.32mg/L 의 90% 인 8.3mg/L로 하였다. 온도에 따른 포화 용존산소농도 보정은 다음의 문헌을 참고하였다. (Temperature and pressure dependent solubility of oxygen in water :thermodynamic analysis, Hydrometallurgy, Desmond Tromans 1998)

표3. 나선 회전수별 기준 용존산소 농도(8.3mg/L) 에 도달하는데 걸리는 시간 (단위 : 초 <Second>)

공기유량	대조군 A	1회전 B	2회전 C	단축시간(1회전) A-B	단축시간(2회전) A-C
1L/min	860	830	790	30	70
2L/min	510	490	440	20	70
3L/min	420	380	370	40	50
4L/min	360	350	340	10	20
5L/min	290	300	290	-10	0

실험 결과 상대적으로 폭기량이 작을수록, 또한 구조물의 나선회전수가 증가 할수록 기준 용존산소농도에 걸리는데 소요되는 시간이 짧은 것을 나타내었다. 예를 들면 1L/min 의 공기유량에서 대조군(무회전)의 경우 8.3mg/L 에 도달하는데 860초가 소요된 반면 나선형 구조물 1회전의 경우 830초로 30초 단축되었으며, 구조물 2회전의 경우에는 70초나 단축되었다. 본 실시 예 3의 자료는 DNA 모방형 나선형 구조물(2) 에 의하여 기포 체류시간이 증가함에 따라 일정 용존산소농도에 도달하는 시간이 단축됨을 나타내고 이는 산소전달계수 값의 증가 효과와 함께 구조물에 의한 실제적인 용존산소농도 증가 효과를 뒷받침 한다. 그리고 실시 예 2에서 와 동일하게 상대적으로 저폭기 조건에서 용존산소농도의 증가가 뚜렷하게 나타났으며 이는 단위 폭기량 당 고효율의 용존산소 농도 증가 논리를 뒷받침해 준다. 도8은 실시 예 3과 관련된 것으로 각 실험세트별 기준 용존산소에 도달하는 시간을 총괄적으로 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 수처리장치의 전체 공정도이며,

도 2는 본 발명에 따른 나선형 구조물을 도시한 확대도이고,

도 3은 본 발명에 따른 나선형 구조물이 없을 때의 공기방울의 거동의 모식도이며,

도 4는 본 발명에 따른 나선형 구조물이 있을 때의 공기방울 거동의 모식도이다.

도 5는 구조물 회전수에 따른 기포 체류시간 변화를 나타내는 그래프이고,

도 6은 공기 유량 및 나선형 구조물의 회전 수에 따른 산소전달계수 값(KLα)을 나타내는 그래프이고,

도 7은 공기 유량 및 나선형 구조물 회전 수 당 대조군 대비 산소전달계수 값(KLα)의 증가비율을 나타내는 그래프이고,

도 8은 공기 유량 및 나선형 구조물 회전 수 당 기준 용존산소농도에 도달하는 시간을 나타내는 그래프이다. (기준 용존산소농도는 실험조건에서의 포화용존산소 농도인 9.22-9.3mg/L 의 90% 인 8.3mg/L 로 한다.)

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 반응기 2 : 나선형 구조물

3 : 유입관 4 : 유입 펌프

5 : 유출관 6 : 유출 펌프

7 : 반응기 덮개 8 : 샘플링 포트

9 : DO meter 10 : 컴퓨터

11 : pH meter 12 : pH 조절 펌프

13 : 산 / 염기 저장조 14 : 송풍기

15 :공기 유입관 16 : 모니터링 센서

17 : 데이터 저장 컴퓨터 18 : 유입 밸브

19 : 유출 밸브 20 : pH 조절 밸브

21 : 공기 조절 밸브

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 반응조에 기포의 나선형 유로를 형성하는 나선형 구조물이 설치되고, 상기 나선형 구조물에 생물막이 형성되는 것을 특징으로 하는 무담체 생물막 반응기.
9. 제8항에 있어서, 상기 반응조는 유입수를 유입하기 위한 유입관과, 공기가 유입되는 공기 유입관과, 상기 유입관과 공기 유입관을 통해 유입된 물과 공기가 반응기 내부를 통과한 후 배출되도록 유출관이 구비되고,

   상기 공기 유입관으로부터 유입된 기포의 흐름을 유도하고, 체류시간을 증가시켜 산소전달률을 높이도록 상기 공기 유입관에서부터 상기 유출관까지 나선형 유로를 형성하는 나선형 구조물이 반응기 내부에 삽입되고, 상기 나선형 구조물에 미생물의 부착을 통한 생물막을 형성시켜 부유생장과 부착생장의 미생물 생장 조건을 동시에 구현하는 무담체 생물막 반응기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 유입관과 공기 유입관은 반응기의 하부에 형성되고,

    상기 유출관은 반응기의 상부에 형성되어 상향류가 흐르는 것을 특징으로 하는 무담체 생물막 반응기.
11. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    반응기의 안정적인 공정 운전을 위하여 반응기 내부의 수소이온농도를 측정하는 장치가 장착되는 것을 특징으로 하는 무담체 생물막 반응기.
12. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    반응기 내부에 이물질이 침투하는 것을 방지하도록 반응기 덮개가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 무담체 생물막 반응기.
13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 생물막 반응기는 질산화 미생물을 이용하는 것을 특징으로 하는 무담체 생물막 반응기.
14. 유입수를 유입하기 위한 유입관과, 공기가 유입되는 공기 유입관과, 상기 유입관과 공기 유입관을 통해 유입된 물과 공기가 반응기 내부를 통과한 후 배출되도록 유출관이 구비된 반응기와,

    상기 반응기 내부에 삽입되어 상기 공기 유입관으로부터 유입된 기포의 흐름을 유도하고, 체류시간을 증가시켜 산소전달률을 높이도록 상기 공기 유입관에서부터 상기 유출관까지 유로를 형성하고, 생물막이 형성되는 나선형 구조물과,

    상기 반응기 내부의 유체 성상을 파악하기 위한 샘플링 포트와,

    상기 반응기 내부의 용존산소를 모니터링 하는 용존산소 미터(DO meter)와,

    반응기 내부의 수소이온농도를 측정하는 페하 미터(pH meter)와,

    상기 용존산소 미터에서 측정된 용존산소농도와 상기 페하 미터에서 측정된 수소이온농도를 수신하여 적절한 폭기량과 pH를 계산하여 제어하는 컴퓨터와,

    상기 컴퓨터에 연결되어 최적 용존산소 농도까지 요구되는 최소량의 공기를 주입하는 송풍기와,

    상기 컴퓨터에 연결되어 pH 조절에 필요한 적정량의 산과 염기를 산/염기 저장조로부터 반응기 내로 주입하기 위한 pH 조절펌프와,

    반응기의 안정적인 공정 운전을 위하여 온도나 이온을 모니터링하기 위한 모니터링 센서를 포함하는 무담체형 수처리장치.

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