KR101143391B1 - 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법 및 상기 활성슬러지를 이용한 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법 - Google Patents

암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법 및 상기 활성슬러지를 이용한 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 암모늄이온 화합물의 부분질산화 (partial nitrification)용 활성슬러지 제조방법 및 상기 활성슬러지를 이용한 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법은 운전조건의 최적화를 통해 폐수처리장의 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아의 농도를 극대화시키고 아질산염산화박테리아를 실질적으로 배제하여, 폐수 중의 암모니아 또는 암모늄이온을 질산염(nitrate)까지 완전 산화시키는 대신 아질산염(nitrite)까지만 부분 산화시킴으로써 폐수처리법의 효율을 높일 수 있다. 이처럼, 질산염을 거치지 않음에 따라 본 발명의 폐수처리법은 산소 소모량, 및 이에 따른 에너지를 절감할 수 있고, 이산화탄소 및 슬러지의 발생을 줄일 수 있다. 특히, 전해조와 유사한 폐수처리조는 활성슬러지에 상대적으로 고농도의 산소를 제공하여 부분질산화 효율을 극대화시킬 수 있다.
암모늄이온, 활성슬러지, 암모니아산화박테리아, 부분질산화, 폐수처리

Description

암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법 및 상기 활성슬러지를 이용한 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법 {Manufacturing Process of Activated Sludge for Partial Nitrification of Ammonium-ion Compound and Waste-water Treatment Process Including Ammonia or Ammonium-ion Compound Using the Activated Sludge}
본 발명은 암모늄이온 화합물의 부분질산화 (partial nitrification)용 활성슬러지 제조방법 및 상기 활성슬러지를 이용한 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법은 운전조건의 최적화를 통해 폐수처리장의 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아의 농도를 극대화시키고, 아질산염산화박테리아를 실질적으로 배제함으로써 달성된다. 이렇게 제조된 활성슬러지를 이용한 폐수처리법은 폐수 중의 암모니아 또는 암모늄이온을 질산염(nitrate)까지 완전 산화시키는 대신 아질산염(nitrite)까지만 부분 산화시키고, 상기 아질산염을 다시 질소 가스까지 환원시킴으로써 폐수처리법의 효율을 높일 수 있는 것이다.
폐수 중의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물은 수중 산소의 고갈을 야기하고 수중생물에 독성물질로 작용하는 심각한 오염원 중 하나이다. 뿐만 아니라, 상기 암모늄이온 화합물은 부영양화나 적조를 발생시켜 수중생물이 집단 폐사하는 원인이 되기도 하며, 염소로 살균된 음용수에서는 유리 염소와 반응하여 점막자극/부식 또는 피부염을 일으키는 클로라민(chloramine)을 생성하는 문제점이 있다.
한국에서는 이러한 암모늄이온 화합물의 배출을 규제하기 위해 기준이 제정되었으며, 하기 표 1과 같이 시간이 갈수록 규제 수준이 강화되는 것으로 예정되어 있다.
분류 ~ 2007년 2008 ~ 2010년 2011 ~ 2012년 2013년 ~
BOD (mg/ℓ) < 30 < 20 < 20 < 10
COD (mg/ℓ) < 40 < 40 < 40 < 40
SS (mg/ℓ) < 30 < 20 < 20 < 10
TN (mg/ℓ) < 60 < 40 < 40 < 20
TP (mg/ℓ) < 8 < 4 < 4 < 2
총 대장균 (개체수/㎖) - < 3000 < 3000 < 3000
TU - - < 1 < 1
이러한 폐수 중의 암모늄이온 화합물을 제거하기 위해 다양한 방법들이 시도되어 왔는데, 이중 화학적 방법은 높은 pH (pH 11 이상)에서 암모니아를 탈거(stripping)시키거나, 이온교환을 수행하거나, 또는 금속이온으로 암모늄이온을 침전시키는 방법으로 일찍이 사용되어 온 방법이다. 그러나, 이러한 화학적 방법은 반응 생성물을 또 다시 처리해야 함에 따라 비효율적인 단점이 있다.
전기화학적 또는 전기광화학적 방법은 전기 또는 전기와 광을 이용하여 암모니아를 분해하는 방법으로, 암모니아 뿐만 아니라 그 밖의 오염물질까지 일거에 분해하고, 별도의 반응 생성물을 발생시키지 않는다는 점에서는 바람직하나, 지나치게 높은 전압을 필요로 하여 에너지 소모가 많은 단점이 있다.
그 외에 활성슬러지를 이용한 생물학적 방법이 있으나, 반응시간이 너무 길고 이에 따라 막대한 넓이의 공장부지가 요구된다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 운전조건의 최적화를 통해 폐수처리장의 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아의 농도를 극대화시키고, 아질산염산화박테리아를 실질적으로 배제함으로써, 암모늄이온 화합물을 질산염까지 완전 산화시키는 대신 아질산염까지만 부분 산화시키는 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화 단계를 채택함으로써 공정효율이 극대화된 폐수처리법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명 암모늄이온 화합물의 부분질산화 (partial nitrification)용 활성슬러지 제조방법은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,
(A) Nitrosospira, Nitrosomonas, Nitrosococcus, β-프로테오박테리아 및 γ-프로테오박테리아로 이루어진 군에서 선택된 암모니아산화박테리아를 포함하는 폐수처리장 활성슬러지를 수득하는 단계; 및
(B) 상기 수득된 폐수처리장 활성슬러지를 15 내지 37 ℃, pH 4 내지 9에서 암모니아 또는 무기 암모늄이온 화합물을 기질로 하여 배양하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (B)의 배양은 용존 산소 (DO) 농도 0.1 내지 10 ppm에서 이루어질 수 잇다.
또한, 단계 (B)의 배양은 추가로 할로겐 화합물, 중금속이온 화합물, 또는 할로겐 화합물 및 중금속이온 화합물을 함유하는 배양액에서 배양될 수 있다.
또한, 단계 (B)의 배양은 염도 1 내지 50 %의 배양액에서 배양될 수 있다.
또한, 단계 (B)의 배양은 슬러지 체류시간 (sludge retention time) 0.5 내지 3 일에서 배양될 수 있다.
또한, 본 발명 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법은
물 100 중량부 당 (NH4)2SO4 0.25 내지 0.55 중량부, KH2PO4 0.03 내지 0.07 중량부, CaCl2 0.002 내지 0.005 중량부, pH 6 내지 8에서 40 내지 60 mM의 EDTA 중 25 내지 35 mM FeSO4 용액 0.02 내지 0.06 중량부 및 CuSO4 0.00001 내지 0.00003 중량부를 용해시킨 용액 1; 및
물 100 중량부 당 KH2PO4 1 내지 4 중량부 및 NaH2PO4 0.1 내지 0.4 중량부를 용해시킨 용액 2
를 용액 1 : 용액 2 = 3 내지 5 : 1 의 중량비로 혼합하고,
물 100 중량부 당 무수 K2CO3 또는 Na2CO3 3.5 내지 6.5 중량부를 용해시킨 용액 3과 (용액 1 및 용액 2의 혼합물) : 용액 3 = 100 내지 150 : 1 의 중량비로 혼합한 배지에서 상기 단계 (B)의 배양을 수행할 수 있다.
또한, 상기 단계 (B)의 기질인 암모니아 또는 무기 암모늄이온 화합물의 농도는 1 내지 200 mM일 수 있다.
한편, 본 발명의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법은
전원장치,
상기 전원장치와 이격되고 용기에 수용된 pH 7 내지 8.5인 암모니아 또는 암모늄이온 화합물을 함유한 폐수,
상기 전원장치의 양극에 연결되고 상기 폐수에 침지되고 상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법으로 제조된 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지를 포함하는 폐수처리조 양극, 및
상기 전원장치의 음극에 연결되고 상기 폐수에 침지된 폐수처리조 음극
을 포함하는 폐수처리조에 암모니아 또는 암모늄이온 화합물을 함유한 폐수를 공급하고, 상기 폐수 내에 포함된 암모니아 또는 암모늄이온 화합물이 상기 폐수처리조 양극의 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지에 의해 아질산염으로 부분질산화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폐수의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 농도는 1 내지 500 mM 일 수 있다.
또한, 상기 폐수처리조 양극은 스텐레스 스틸, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 루테늄, 티타늄 산화물, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속, 바람직하게는 스텐레스 스틸을 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐수처리조 음극은 스텐레스 스틸, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 루테늄, 티타늄 산화물, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속전극 또는 탄소전극, 바람직하게는 백금전극일 수 있다.
또한, 상기 폐수처리조 양극은
상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지에 둘러싸여 이로부터 전자를 공급받는 금속 메쉬(mesh);
상기 금속 메쉬를 연결시키는 금속 와이어(wire); 및
상기 금속 메쉬 및 금속 와이어를 접착시키는 전도성 은(silver) 에폭시
를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐수처리조 음극은 스프링형 금속 와이어, 바람직하게는 스프링형 백금 와이어일 수 있다.
또한, 상기 전원장치에 걸리는 전압은 0.5 내지 10 V일 수 있다.
또한, 본 발명의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법은 상기 금속 메쉬를 둘러싼 상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지를 셀룰로스 막, 바람직하게는 재생 셀룰로스 막으로 다시 싸서 고정화시킬 수 있다.
또한, 본 발명 암모늄이온 화합물의 부분질산화법은 상기 배지를 2 내지 20일마다 교체하는 것이 바람직하다.
또한, 단계 (B)의 배양은 염기, 바람직하게는 탄산이온을 포함한 염기, 보다 바람직하게는 K2CO3 또는 Na2CO3 에 의해 pH를 조절할 수 있다.
본 발명 폐수처리법이 채택한 부분질산화 단계는 폐수 중의 암모니아 또는 암모늄이온을 질산염(nitrate)까지 완전 산화시키는 대신 아질산염(nitrite)까지만 부분 산화시키고, 상기 아질산염을 다시 질소 가스까지 환원시킴으로써 폐수 중의 환원성 질소를 처리하는 폐수처리법의 효율을 높일 수 있다.
구체적으로 아질산염에서 질산염으로 산화되었다가 다시 아질산염으로 환원되는 비효율을 제거함으로써, 산소 소모량 및 이에 따른 에너지를 절감할 수 있다.
뿐만 아니라, 산소가 없는 상태에서 전자 제공에 대한 요구를 낮출 수 있고, 이산화탄소 및 슬러지의 발생을 줄일 수 있다.
무엇보다, 아질산염의 탈질산(denitrification)이 질산염의 탈질산보다 신속하게 이루어져 공정효율이 제고되는 장점이 있다.
특히, 전해조와 유사한 폐수처리조는 활성슬러지에 상대적으로 고농도의 산소를 제공하여 부분질산화 효율을 극대화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음 은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
종래 암모늄이온 화합물을 함유한 폐수처리법은 도 1에 도시된 바와 같이 암모니아 또는 암모늄이온 화합물이 NH2OH를 거쳐 아질산염 및 질산염으로 산화(질산화)된 후 다시 질산염이 질소기체로 완전 환원(탈질산화)됨으로써 이루어져 왔다. 그런데, 도 1에서 명백히 확인할 수 있는 바와 같이 어차피 질소 기체로의 환원을 목표로 한다면 '아질산염→질산염→아질산염'의 단계를 굳이 거칠 것이 아니라 질산염으로의 산화 및 환원 단계를 생략하고 도 3에 도시된 바와 같이 아질산염에서 바로 환원 단계가 개시되는 것이 더욱 효율적이다.
이는 전술한 바와 같이 아질산염의 탈질산 반응속도가 질산염의 탈질산 반응속도보다 높은 점을 고려하면 반응효율 제고 측면에서 더욱 더 절실히 요구되는 것이다.
암모니아에서 질산염까지의 완전 산화 대신 아질산염까지만 산화되는 부분질산화는 폐수처리장의 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아의 농도를 극대화시키고, 아질산염산화박테리아를 실질적으로 배제함으로써 달성된다 (도 1).
상기 암모니아산화박테리아는 독립영양생물(autotroph), 화학무기영양생물(chemolithotroph), 절대호기성생물(obligate aerobe)로서 하기 반응식 1의 암모 니아 산화 반응을 수행한다.
NH3 + 1.5 O2 → NO2 - + H2O + H+
대표적인 암모니아산화박테리아인 Nitrosomonas europaea의 암모니아 산화기작은 암모니아모노산화효소 (ammonia monooxygenase) 및 하이드록실아민산화환원효소 (hydroxylamine oxidoreductase) 두 효소가 각각 관여하는 두 단계로 이루어지고, 이는 도 2에 도시된 바와 같이 세포막을 중심으로 반응식 2 및 3 의 반응으로 구성된다.
NH3 + O2 + 2 H+ + 2 e- → NH2OH + H2O
NH2OH → HNO2 + 4 H+ + 4 e-
상기 부분질산화를 위해서는 실질적으로 이를 수행하는 폐수처리장의 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아를 우점종으로 만들어 농도를 극대화시키고, 불필요한 아질산염산화박테리아를 최소화시키는 것이 바람직하다.
이는 암모니아 산화 활성을 갖는 Nitrosospira, Nitrosomonas, Nitrosococcus, β-프로테오박테리아 및 γ-프로테오박테리아로 이루어진 군에서 선택된 암모니아산화박테리아를 포함하는 폐수처리장 활성슬러지를 수득하여 이를 15 내지 37 ℃, pH 4 내지 9, 용존산소(DO)농도 0.1 내지 10 ppm에서 암모니아 또는 무기 암모늄이온 화합물을 기질로 하여 배양함으로써 달성된다.
이때 기질로 공급되는 암모니아 또는 무기 암모늄이온 화합물의 농도는 1 내지 200 mM이 바람직한데, 1 mM 미만에서는 기질 부족으로 인해 암모니아산화박테리아의 정상적인 생장이 이루어지지 않고, 200 mM을 초과하면 기질 과다로 인한 생장 장애가 발생한다.
암모니아산화박테리아의 정상적인 생장 및 생성물 저해를 예방하고 아질산염산화박테리아의 생장을 억제하기 위해서는 생성물인 아질산염의 농도를 억제해야 하는 바, 이는 후술하는 전체 암모니아 폐수처리법에서 상기 아질산염을 환원시킴으로써 달성되므로, 적절한 공정제어를 통해 구현 가능한 사안이다. 가능한 한, 아질산염의 농도는 200 mM 이하로 제어되는 것이 바람직하다.
본 발명의 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법에서 특히 중요한 것은 기질로서 암모니아 또는 무기 암모늄이온 화합물만 공급되어야 하고, 그 밖의 유기 화합물, 특히 탄수화물은 배제되어야한다는 점이다. 탄수화물 등의 유기 화합물이 존재하면 다른 미생물이 암모니아산화박테리아보다 빨리 생장하여, 암모니아산화박테리아를 우점종으로 만들기 어렵기 때문이다.
상기 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아의 배양은 증류수 등에 상기 박테리아의 생장에 알맞은 무기염류를 배합한 배지를 통해 이루어지는 것이 더욱 바람직한 바,
물 100 중량부 당 (NH4)2SO4 0.25 내지 0.55 중량부, KH2PO4 0.03 내지 0.07 중량부, CaCl2 0.002 내지 0.005 중량부, pH 6 내지 8에서 40 내지 60 mM의 EDTA 중 25 내지 35 mM FeSO4 용액 0.02 내지 0.06 중량부 및 CuSO4 0.00001 내지 0.00003 중량부를 용해시킨 용액 1; 및
물 100 중량부 당 KH2PO4 1 내지 4 중량부 및 NaH2PO4 0.1 내지 0.4 중량부를 용해시킨 용액 2
를 용액 1 : 용액 2 = 3 내지 5 : 1 의 중량비로 혼합하고,
물 100 중량부 당 무수 K2CO3 또는 Na2CO3 3.5 내지 6.5 중량부를 용해시킨 용액 3과 (용액 1 및 용액 2의 혼합물) : 용액 3 = 100 내지 150 : 1 의 중량비로 혼합한 배지
를 그 예로 들 수 있다.
한편, 상기 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아의 농도를 높이고, 아질산염산화박테리아의 농도를 낮추기 위해서는 전자에는 작용하지 않고 후자에만 작용하는 저해제(inhibitor)를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 저해제로 Cl, Br, F, I 등의 할로겐 원소를 포함한 할로겐 화합물, Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, Cd 등의 중금속이온 화합물, 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.
또는, 1 내지 50 %의 염도를 갖는 배양액 역시 아질산염산화박테리아 보다는 암모니아산화박테리아의 배양에 유리하다.
나아가, 본 발명 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법이 회분(batch)식 반응인 경우 배양 배지를 2 내지 20 일 마다 교체하거나, 연속(continuous)식 반응인 경우 슬러지 체류시간 (sludge retention time)을 0.5 내지 3 일로 조정하여 운전하는 것도 아질산염산화박테리아의 농도를 낮추는데 바람직하다.
그리고, 상기 반응식 2 및 반응식 3 에 따르면 상기 활성슬러지 제조를 위한 배양은 배양이 진행될수록 pH가 낮아지게 된다. 따라서, 적정 pH의 유지를 위해 염기, 바람직하게는 탄산이온을 포함한 염기, 보다 바람직하게는 K2CO3 또는 Na2CO3 를 이용하여 pH를 높이는 것이 바람직하다. 물론, 이 경우에도 유기물 염기는 배제하는 것이 필요하다.
한편, 본 발명의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법은 상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법으로 제조된 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지에 의해 암모니아 또는 암모늄이온 화합물이 아질산염까지만 부분질산화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 폐수처리법은
전원장치,
상기 전원장치와 이격되고 용기에 수용된 pH 7 내지 8.5인 암모니아 또는 암모늄이온 화합물을 함유한 폐수,
상기 전원장치의 양극에 연결되고 상기 폐수에 침지되고 상기 암모늄이온 화 합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법으로 제조된 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지를 포함하는 폐수처리조 양극, 및
상기 전원장치의 음극에 연결되고 상기 폐수에 침지된 폐수처리조 음극
을 포함하는 폐수처리조에 암모니아 또는 암모늄이온 화합물을 함유한 폐수를 공급함으로써 개시된다. 상기 폐수처리조의 일 실시예가 도 4에 도시되어 있다.
이 경우 처리 대상인 폐수 중의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 농도는 1 내지 500 mM인 것이 바람직한데, 1 mM 미만이면 기질 부족으로 활성슬러지 중 암모니아산화박테리아의 농도 유지가 곤란하고, 500 mM을 초과하면 처리용량 초과로 인해 아질산염으로 산화되지 않고 이후 단계로 넘어가는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물이 발생할 수 있다.
한편, 상기 폐수처리조를 구성하는 폐수처리조 양극은 스텐레스 스틸, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 루테늄, 티타늄 산화물, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속을 포함하는 것이 바람직하며, 이중에서도 스텐레스 스틸을 포함하는 것이 경제성 측면에서 더욱 바람직하다.
그리고, 상기 폐수처리조 음극은 스텐레스 스틸, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 루테늄, 티타늄 산화물, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속전극 또는 탄소전극인 것이 바람직하며, 이 중에서도 백금 전극인 것이 효율 측면에서 더욱 바람직하다.
특히, 본 발명에 사용되는 폐수처리조의 폐수처리조 양극은
상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지에 둘러싸여 이로부터 전 자를 공급받는 금속 메쉬(mesh);
상기 금속 메쉬를 연결시키는 금속 와이어(wire); 및
상기 금속 메쉬 및 금속 와이어를 접착시키는 전도성 은(silver) 에폭시를 포함하여 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
이를 통해 활성슬러지에서 반응 결과 발생한 전자는 금속 메쉬, 전도성 은 에폭시, 금속 와이어를 거쳐 전원장치로 전달된다.
그리고, 상기 폐수처리조의 폐수처리조 음극은 스프링형 와이어 형태를 갖는 것이 전자 전달 등의 측면에서 바람직하다.
본 발명의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법은 암모니아 산화 반응의 중요 기질 중 하나인 산소의 공급을 위해 교반, 공기 주입, 산소 주입 등의 방법을 사용할 수 있다.
그러나, 상기 폐수처리조에서 실제 산소를 소비하는 영역은 상기 활성슬러지 영역 뿐인데, 공기 또는 산소 주입법은 이러한 활성슬러지 영역에만 고농도의 산소를 유지하기에는 적합하지 않다. 때문에, 폐수처리 효율의 제고를 위해 물 분해를 통해 폐수처리조의 양극에서 산소를 발생시키는 것이 보다 바람직한 바, 이를 위해 전술한 바와 같이 전원장치 및 폐수처리조 양극과 음극을 도입한 것을 또 다른 특징으로 한다.
이처럼 전해조와 유사한 형태의 폐수처리조에 걸리는 전압은 0.5 내지 10 V인 것이 바람직한데, 0.5 V 미만에서는 물 분해 정도가 미미하여 충분한 산소가 발생하지 않고, 10 V를 초과하면 경제성 측면에서 불리할 뿐만 아니라, 본 발명의 폐 수처리조 양극 및 음극, 그리고 암모니아산화박테리아에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
한편, 본 발명의 폐수처리법을 구성하는 폐수처리조 양극은 상기 금속 메쉬를 둘러싼 활성슬러지를 상기 금속 메쉬에 고정화시키는 것이 보다 바람직하다. 이를 통해 적정 수준의 질산화 효율을 달성하고 활성슬러지의 소실(loss)을 예방할 수 있다.
이러한 고정화 방법으로는 상기 금속 메쉬에 필름을 형성시키는 방법, 상기 활성슬러지와 금속 메쉬를 과학적 결합시키는 방법, 등으로 가능하나, 도 9에 도시된 바와 같이 셀룰로스 막, 바람직하게는 재생 셀룰로스 막으로 싸는 것이 경제성 측면이나 효율성 측면에서 보다 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예
실시예 1: 활성 슬러지의 배양
한국 경기도 남양주시에 위치한 진건 폐수처리장에서 채취한 활성슬러지를 Nitrosomanas europaea 배지(ATCC # 2265)가 담긴 500 ml 플라스크에 넣고 27 ℃, pH 8, 150 rpm으로 초기 배양하였다. 생성물 제거와 미량 영양소 공급을 위해 10일 마다 배지를 교체하였으며, 기질 공급 및 pH 제어를 위해 3 일마다 황산암모늄 및 탄산칼륨을 첨가하였다. 8 개월 경과 후 배양한 활성슬러지를 대상으로 암모늄이온, 아질산이온, 질산이온 및 총 질소량을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다. 상기 제 이온의 농도는 HPLC (HP, 미국)로 측정하였다.
도 5로부터 8개월 배양한 활성슬러지는 암모늄이온의 농도가 감소하고 아질산이온의 농도가 증가함에도 불구하고 질산이온을 전혀 생성하지 않는 것을 알 수 있으며, 따라서 상기 활성슬러지는 암모니아산화박테리아가 우점종이 되었고, 아질산염산화박테리아는 배제되었음을 확인할 수 있다.
도 6은 상기 8개월 배양한 활성슬러지에 황산암모늄을 0, 24, 36, 48, 72 시간 경과 시점마다 공급한 결과를 도시한 그래프로서 도 5와 마찬가지로 아질산이온 농도는 계속 증가하나, 질산이온 농도는 계속 0 인 것을 알 수 있다.
실시예 2: 전해조 형태의 폐수처리조
도 4와 같은 폐수처리조를 구비하고, 전원장치 (Agilent E3646A)의 양극에는 스텐레스 스틸 와이어 - 전도성 은 에폭시 (Chemtronics® - 스텐레스 스틸 메쉬 - 실시예 1의 활성슬러지를 순차적으로 연결하여 본 발명의 폐수처리조 양극을 제작하고, 전원장치의 음극에는 스프링 형태의 백금 와이어 (SK science)를 연결하여 본 발명의 폐수처리조 음극을 제작하였다.
실시예 3: 전압의 영향
실시예 2의 폐수처리조에서, 전극의 전압을 1.3, 1.8, 2.0 V 으로 변화시켰을 때, 본 발명의 처리 대상인 암모니아의 분해 속도를 측정한 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7에 나타난 바와 같이 실시예 2의 폐수처리조에 걸린 전압이 높을수록 암모니아 분해속도는 증가함을 확인할 수 있으며, 이는 전압이 높아질수록 물 분해량이 증가함에 따라 발생하는 산소량이 증가함에 따른 결과로 해석할 수 있다.
실시예 4: 활성슬러지의 고정화
도 8은 실시예 2의 폐수처리조에서, 활성슬러지를 재생 셀룰로스 막으로 고정화시킨 상태를 도시한 도면이며, 도 9는 활성슬러지가 고정화된 경우와 현탁된 경우 암모니아의 농도 감소를 비교한 그래프이다.
도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 활성슬러지가 재생 셀룰로스 막에 의해 고정화되었음에도 불구하고 암모니아 농도가 현탁 상태와 유사하게 감소되는 것으로부터 본 발명의 활성슬러지는 현탁 상태 뿐만 아니라 고정화 상태에서도 암모니아 처리 효율이 유지됨을 확인할 수 있었다. 나아가, 상기 재생 셀룰로스 막 역시 그 형태가 실험 종료시까지 유지되어 내구성 또한 우수함을 확인할 수 있었다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 암모니아의 질산화 및 탈질산화에 대한 개략도이다.
도 2는 암모니아산화박테리아의 암모니아 산화 과정을 도시한 개략도이다.
도 3은 암모니아의 부분질산화 및 탈질산화에 대한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 폐수처리법의 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 활성슬러지의 암모니아 부분질산화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 암모니아를 간헐적으로 공급할 때 본 발명에 의해 제조된 활성슬러지의 암모니아 부분질산화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 전압 변화에 따른 본 발명 활성슬러지의 암모니아 분해속도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 활성슬러지가 고정화된 폐수처리조 양극의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 활성슬러지가 고정화된 경우와 현탁된 경우 암모니아 농도의 변화를 도시한 그래프이다.

Claims (14)

  1. (A) Nitrosospira, Nitrosomonas, Nitrosococcus, β-프로테오박테리아 및 γ-프로테오박테리아로 이루어진 군에서 선택된 암모니아산화박테리아를 포함하는 폐수처리장 활성슬러지를 수득하는 단계; 및
    (B) 상기 수득된 폐수처리장 활성슬러지를 15 내지 37 ℃, pH 4 내지 9에서 암모니아 또는 무기 암모늄이온 화합물을 기질로 하고, 상기 암모니아 또는 무기 암모늄이온 화합물의 농도는 1 내지 200 mM로 하여 배양하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모늄이온 화합물의 부분질산화 (partial nitrification)용 활성슬러지 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단계 (B)의 배양은 추가로 할로겐 화합물, 중금속이온 화합물, 또는 할로겐 화합물 및 중금속이온 화합물을 함유하는 배양액에서 배양되는 것을 특징으로 하는 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    단계 (B)의 배양은 염도 1 내지 50 %의 배양액에서 배양되는 것을 특징으로 하는 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    단계 (B)의 배양은 슬러지 체류시간 (sludge retention time) 0.5 내지 3 일에서 배양되는 것을 특징으로 하는 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    물 100 중량부 당 (NH4)2SO4 0.25 내지 0.55 중량부, KH2PO4 0.03 내지 0.07 중량부, CaCl2 0.002 내지 0.005 중량부, pH 6 내지 8에서 40 내지 60 mM의 EDTA 중 25 내지 35 mM FeSO4 용액 0.02 내지 0.06 중량부 및 CuSO4 0.00001 내지 0.00003 중량부를 용해시킨 용액 1; 및
    물 100 중량부 당 KH2PO4 1 내지 4 중량부 및 NaH2PO4 0.1 내지 0.4 중량부를 용해시킨 용액 2
    를 용액 1 : 용액 2 = 3 내지 5 : 1 의 중량비로 혼합하고,
    물 100 중량부 당 무수 K2CO3 또는 Na2CO3 3.5 내지 6.5 중량부를 용해시킨 용액 3과 (용액 1 및 용액 2의 혼합물) : 용액 3 = 100 내지 150 : 1 의 중량비로 혼합한 배지에서 상기 단계 (B)의 배양을 수행하는 것을 특징으로 하는 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법.
  6. 삭제
  7. 전원장치,
    상기 전원장치와 이격되고 용기에 수용된 pH 7 내지 8.5인 암모니아 또는 암모늄이온 화합물을 함유한 폐수,
    상기 전원장치의 양극에 연결되고 상기 폐수에 침지되고 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항의 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법으로 제조된 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지를 포함하는 폐수처리조 양극, 및
    상기 전원장치의 음극에 연결되고 상기 폐수에 침지된 폐수처리조 음극
    을 포함하는 폐수처리조에 암모니아 또는 암모늄이온 화합물을 함유한 폐수를 공급하고, 상기 폐수 내에 포함된 암모니아 또는 암모늄이온 화합물이 상기 폐수처리조 양극의 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지에 의해 아질산염으로 부분질산화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 폐수의 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 농도는 1 내지 500 mM 인 것 을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 폐수처리조 양극은 스텐레스 스틸, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 루테늄, 티타늄 산화물, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 폐수처리조 음극은 스텐레스 스틸, 금, 은, 팔라듐, 백금, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 루테늄, 티타늄 산화물, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속전극 또는 탄소전극인 것을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 폐수처리조 양극은
    상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지에 둘러싸여 이로부터 전자를 공급받는 금속 메쉬(mesh);
    상기 금속 메쉬를 연결시키는 금속 와이어(wire); 및
    상기 금속 메쉬 및 금속 와이어를 접착시키는 전도성 은(silver) 에폭시
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원장치에 걸리는 전압은 0.5 내지 10 V인 것을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 금속 메쉬를 둘러싼 상기 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지를 셀룰로스 막으로 다시 싸서 고정화시키는 것을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
  14. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항의 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지 제조방법으로 제조된 암모늄이온 화합물의 부분질산화용 활성슬러지에 의해 암모니아 또는 암모늄이온 화합물이 아질산염까지만 부분질산화되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 또는 암모늄이온 화합물 함유 폐수처리법.
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