KR101409035B1

KR101409035B1 - 인공 광원 및 플루 가스를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템

Info

Publication number: KR101409035B1
Application number: KR20120086555A
Authority: KR
Inventors: 강동한; 장영호; 김극태; 김종수; 황찬원; 김미정; 오조교; 이정복
Original assignee: 경기도
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-06-18
Also published as: KR20140020084A

Abstract

본 발명은 인공 광원 및 플루 가스(Flue gas)를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소원, 영양염류 및 물이 존재하는 조건에 플루 가스를 주입함으로써 이산화탄소를 공급한 다음, 물 속에 인공 광원을 조사함으로써 미세조류의 성장을 유도하여 박테리아를 기반으로 하는 활성슬러지 미생물과의 공생조건을 형성함으로써 하폐수내 질소와 인을 처리하는 인공 광원 및 플루 가스(Flue gas)를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인공 광원 및 플루 가스(Flue gas)를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템은 높은 이산화탄소 함량과 높은 배기가스 온도를 가진 플루 가스를 인위적으로 주입함으로써 이산화탄소를 공급한 다음, 인공 광원을 조사하여 미세조류의 성장을 유도하고 조류가 발생하는 산소를 호기조에 공급하여 호기성 박테리아가 이용하게 함으로써 산소공급에 소요되는 에너지 비용 절감, 하폐수의 질소와 인 농도의 저감 및 온실가스인 이산화탄소 삭감에 효과가 있다.

Description

인공 광원 및 플루 가스를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템{Microalgae Culture Aguarlum Using an Artificial Light Source and Flue Gas and Wastewater Treatment System Using the Same Process}

본 발명은 인공 광원 및 플루 가스(Flue gas)를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소원, 영양염류 및 물이 존재하는 조건에 플루 가스를 주입함으로써 이산화탄소를 공급한 다음, 물 속에 인공 광원을 조사함으로써 미세조류의 성장을 유도하여 박테리아를 기반으로 하는 활성슬러지 미생물과의 공생조건을 형성함으로써 하폐수내 질소와 인을 처리하는 인공 광원 및 플루 가스(Flue gas)를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템에 관한 것이다.

세계적으로 산업화의 발전에 따른 하천오염으로 인하여 하폐수 처리 방법에 대한 다양한 연구가 제시되어 왔다. 하폐수의 처리방법은 크게 물리적, 화학적 및 생물학적 처리방법으로 구분되는데, 일반적으로는 하폐수에 포함된 일정 크기의 부유물을 물리적으로 제거하는 1차 처리 단계와 하폐수의 유기물을 생물학적으로 제거하는 2차 처리 단계로 진행된다.

일반적으로 생물학적 활성슬러지 방법을 사용하는 2차 처리 단계는 질소와 인을 제거하기 위해 혐기조건, 무산소조건 및 호기조건을 인위적으로 형성하여 혐기조건에서는 인을 제거하는 기작이 진행되고 무산소조건에서는 질소를 제거하는 기작이 진행되며 호기조건에서는 유기물 제거와 질산화 반응이 일어난다. 특히, 호기조건을 유지하기 위해서는 인위적으로 공기를 주입하여야 하며 하폐수처리장 운전비용에서 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 질소와 인이 제거된 하폐수는 중력침전, 가압부상 또는 분리막 등의 방법으로 미생물과 물을 분리한 후 UV, 염소, 오존 등의 소독과정을 거친후 물은 시스템 밖으로 배출되고 슬러지의 일부는 반송라인을 통해 혐기조 또는 무산소조로 반송되며 나머지는 농축, 탈수 등의 공정을 거쳐 폐기되거나 재활용된다. 호기조건에서는 질산화 미생물에 의해 하폐수내 유기 질소 및 암모니아계 질소가 산화되어 아질산성 질소나 질산성 질소로 전환된다. 이렇게 질산화된 하폐수는 다시 무산소조건이 형성된 무산소조로 반송되어 탈질소 미생물에 의해 질소 가스로 환원되어 대기중으로 배출되어 하폐수에서 제거된다. 혐기조건에서는 Bio-P(Biological Phosphourus removing bacteria) 미생물에 의해 하폐수내 유기물이 박테리아 체내에서 PHA, PHB 등의 고분자 물질로 합성되며 박테리아 체내에 존재하는 Poly-P가 분해되어 용출된다. 이러한 박테리아가 혐기조건에서 호기조건으로 유입되면 체내에서 필요한 적정량의 인보다 많은 과량의 인을 섭취함으로써 하폐수내에 인이 미생물 생체내로 이동하게 되며 미생물을 폐기함으로써 인을 하폐수에서 제거하게 된다. 이러한 생물학적 질소, 인 처리방법은 공기 주입을 위한 에너지 비용이 많이 소요되고 C/N(COD/Nitrogen)비율, C/P(COD/Phosphorus)비율이 낮은 경우 질소, 인 제거효율이 급격히 저하하는 문제점이 발생되어 왔다. 또한 잉여슬러지의 발생량이 많고, 잉여슬러지 처리를 위한 별도의 설비와 비용이 추가되는 문제점이 있다.

이에, 한국등록특허 제100460214호는 질소제거를 위해 박테리아를 기반으로하는 미생물 대신 미세조류(광합성 미생물)를 사용하였으나, 미세조류 단독 종만으로는 질소 가스로 대기중에 배출함으로써 질소를 제거하는 박테리아의 기작을 기대할 수 없어 고효율의 질소 제거율을 기대할 수 없으며, Luxury Uptake(과입섭취)로 알려진 인 제거 박테리아의 특성을 이용할 수 없음으로 인해 고효율의 인제거율도 기대할 수 없는 한계가 있다. 또한 고농도의 유기물질이 함유된 하폐수에서 종속영양 박테리아와의 경쟁관계에 의해 미세조류의 성장이 담보될 수 없다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 높은 이산화탄소 함량과 높은 배기가스 온도를 가진 플루 가스를 하폐수처리공정에 인위적으로 주입함으로써 이산화탄소를 공급한 다음, 인공 광원을 조사하여 미세조류의 성장을 유도하고 조류가 발생하는 산소를 호기조에 공급하여 호기성 박테리아가 이용하게 함으로써 산소공급에 소요되는 에너지 비용 절감, 하폐수의 질소와 인 농도의 저감 및 온실가스인 이산화탄소 삭감을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 하폐수의 질소와 인 농도의 저감 및 온실가스인 이산화탄소 삭감을 위하여, 탄소원, 영양염류 및 물이 존재하는 조건에 플루 가스를 주입함으로써 이산화탄소를 공급한 다음, 물 속에 인공 광원을 조사함으로써 미세조류의 성장을 유도하여 박테리아를 기반으로 하는 활성슬러지 미생물과의 공생조건을 형성함으로써 하폐수내 질소와 인을 처리하는 인공 광원 및 플루 가스(Flue gas)를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 측면 상에 미세조류 투입구, 배양액 투입구 및 플루 가스 투입구 및 상등수의 투입구가 구비되고, 하부 측면 상에는 미세조류 배출구가 구비되어 있는 반응기; 상기 반응기 내부에 일정 간격으로 설치되어 있는 다수개의 인공 광원; 상기 인공 광원 외부에 설치되어 수밀성을 갖는 인공 광원 케이싱; 상기 인공 광원 케이싱 내부에 구비되며 외부 전원으로부터 인공 광원에 전력을 공급하는 전력공급용 케이블; 상기 인공 광원 케이싱 외부에 설치되며 인공 광원 케이싱 표면에 부착되는 미세조류를 세척하는 케이싱 청소 와이퍼; 탈착형 구조체에 의해서 상기 인공 광원 케이싱이 고정되는 인공 광원 설치용 프레임; 상기 인공 광원 설치용 프레임 하단부에 설치되며 다수개의 고압가스 분사노즐이 구비된 고압가스 배출관을 포함하는 고압산기관; 및 상기 인공 광원 설치용 프레임들 사이에 설치되며 미세 조류 배양액을 혼합하는 교반기를 포함하는 하는 미세조류 배양조를 제공한다.

본 발명은 또한, 교반기를 내부에 포함하는 혐기조, 무산소조, 포기조가 직렬 순차적으로 연결되어 있고, 막분리조, 미세조류배양조를 더 포함하는 하폐수처리공정 시스템에 있어서,

상기 혐기조는 하폐수가 유입되는 제1 배관, 혐기조처리수가 배출되는 제2 배관, 상기 무산소조와 연결된 제1 내부 반송 배관 및 상기 막분리조와 연결된 외부 반송 배관이 연결되어 있고, 상기 무산소조는 상기 혐기조에서 처리된 혐기조처리수가 유입되는 제2 배관, 무산소조처리수가 배출되는 제3 배관, 무산소조처리수의 일부를 상기 혐기조로 반송시키는 제1 내부 반송 배관, 상기 포기조와 연결된 제2 내부 반송 배관이 연결되어 있고, 상기 포기조는 상기 무산소조에서 처리된 무산소조처리수가 유입되는 제3 배관, 포기조처리수가 배출되는 제4 배관, 상기 무산소조로 포기조처리수 일부를 반송시키는 제2 내부 반송 배관 및 상기 미세조류배양조로부터 미세조류가 투입되는 미세조류투입관이 연결되어 있고, 미세조류의 성장을 유도하는 인공 광원부를 내부에 포함하며, 상기 미세조류배양조는 배양액이 유입되는 배양액유입관, 막분리조로 부터 상등수가 유입되는 상등수배관, 플루 가스가 유입되는 플루 가스 유입관 및 배양된 미세조류를 상기 포기조로 투입하는 미세조류투입관이 연결되어 있고, 미세조류의 성장을 유도하는 인공 광원부를 내부에 포함하며, 상기 막분리조는 상기 포기조에서 처리된 포기조처리수가 유입되는 제4 배관, 막분리조처리수를 방류하는 제5 배관, 상기 혐기조로 막분리조의 슬러지를 혐기조로 반송하는 외부 반송 배관, 미세조류 배양조로 막분리조처리수를 일부 배출하는 상등수배관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 인공 광원 및 플루 가스(Flue gas)를 이용한 미세조류 배양조 및 이를 이용한 하폐수 처리공정 시스템은 높은 이산화탄소 함량과 높은 배기가스 온도를 가진 플루 가스를 인위적으로 주입함으로써 이산화탄소를 공급한 다음, 인공 광원을 조사하여 미세조류의 성장을 유도하고 조류가 발생하는 산소를 호기조에 공급하여 호기성 박테리아가 이용하게 함으로써 산소공급에 소요되는 에너지 비용 절감, 하폐수의 질소와 인 농도의 저감 및 온실가스인 이산화탄소 삭감에 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인공 광원 프레임 하단부에 설치되어 간헐적인 고압가스 분사를 통해 케이싱 외벽의 조류 부착을 방지하기 위한 고압산기과의 설치 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 인공 광원과 인공 광원 설치용 프레임의 연결을 나타낸 도면으로, (a)는 수직형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임의 연결구조체이고, (b)는 수평형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임의 연결구조체이고, (c)는 복합형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임의 연결구조체이다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형의 인공 광원 케이싱이 회전하면서 케이싱 외부에의 조류 부착을 방지하기 위한 인공 광원 설치 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 와이퍼를 장착한 인공 광원 케이싱과 인공 광원의 설치 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 미세조류 배양조를 이용한 하폐수 처리공정 시스템에 관한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 미세조류 배양조 및 포기조내 인공 광원 설치 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연구 장치의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 연구 결과를 나타낸 그래프이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 구성 및 작용효과를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 일관점에서, 일 측면 상에 미세조류 투입구, 배양액 투입구 및 플루 가스 투입구 및 상등수의 투입구가 구비되고, 하부 측면 상에는 미세조류 배출구가 구비되어 있는 반응기; 상기 반응기 내부에 일정 간격으로 설치되어 있는 다수개의 인공 광원; 상기 인공 광원 외부에 설치되어 수밀성을 갖는 인공 광원 케이싱; 상기 인공 광원 케이싱 내부에 구비되며 외부 전원으로부터 인공 광원에 전력을 공급하는 전력공급용 케이블; 상기 인공 광원 케이싱 외부에 설치되며 인공 광원 케이싱 표면에 부착되는 미세조류를 세척하는 케이싱 청소 와이퍼; 탈착형 구조체에 의해서 상기 인공 광원 케이싱이 고정되는 인공 광원 설치용 프레임; 상기 인공 광원 설치용 프레임 하단부에 설치되며 다수개의 고압가스 분사노즐이 구비된 고압가스 배출관을 포함하는 고압산기관; 및 상기 인공 광원 설치용 프레임들 사이에 설치되며 미세 조류 배양액을 혼합하는 교반기를 포함하는 하는 미세조류 배양조에 관한 것이다.

도 1은 인공 광원 프레임 하단부에 설치되어 간헐적인 고압가스 분사를 통해 케이싱 외벽의 조류 부착을 방지하기 위한 고압산기관의 설치 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 인공 광원과 인공 광원 설치용 프레임의 연결을 나타낸 도면으로, (a)는 수직형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임의 연결구조체이고, (b)는 수평형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임의 연결구조체이고, (c)는 복합형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임의 연결구조체이며, 도 3은 본 발명에 따른 원통형의 인공 광원 케이싱이 회전하면서 케이싱 외부에의 조류 부착을 방지하기 위한 인공 광원 설치 방법을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 와이퍼를 장착한 인공 광원 케이싱과 인공 광원의 설치 도면이다.

구체적으로, 상기 반응기의 일 측면 상에는 미세조류 투입구, 플루 가스 투입구, 영양염류 투입구 및 상등수 투입구가 구비되며, 반대 측면 상에는 미세조류 배출구가 구비된다. 이때, 반응기는 기계적 강도가 뛰어난 강화유리, 폴리카보네이트, 철근콘크리트 및 아크릴 등으로 구성된 군에서 선택되고, 바람직하게는 철근콘크리트를 사용할 수 있다.

상기 반응기의 플루 가스 주입관은 연돌의 배기 가스관과 직접적으로 연결되어 있으며, 주입관을 통해 공급되는 플루 가스는 화력 발전소, 소각로, 열병합 발전소 및 화석연료 연소가스로 구성된 군에서 선택되고, 바람직하게는 열병합 발전소를 사용할 수 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 상기 인공 광원 설치용 프레임(220)은 하단에 설치된 고압산기관에서 고속으로 상승하는 가스를 간헐적으로 분사하여 가스의 빠른 유속에 의해 미세조류의 부착을 방지한다. 이때, 고압산기관은 다수개의 고압가스 분사노즐(110)이 구비된 고압가스 배출관(120)을 포함한다.

또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 인공 광원 케이싱(210)은 인공 광원 설치용 프레임(220)에 수직형, 수평형 및 복합형 형태에서 선택되는 케이싱 걸이(240)를 사용하여 연결할 수 있고, 바람직하게는 수직형 케이싱 걸이를 사용할 수 있다. 도 2 (a)는 수직형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임(220)의 연결을 나타낸 것으로 인광광원 케이싱이 위에서 아래로 삽입되어 결합되는 구조이고, 도 2 (b)는 수평형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임(220)의 연결을 나타낸 것으로 이는 인공광원 케이싱이 정면에서 삽입되는 구조이며, 도 2 (c)는 복합형 케이싱 걸이와 인공 광원 설치용 프레임(220)의 연결을 나타낸 것으로 이는 측면에서 삽입되어 결합되는 구조로, 도 2에 나타난 바와 같이, 케이싱 걸이(240)의 형태에 따라 탈착이 용이하다.

상기 인공 광원 케이싱(210)은 미세조류의 부착을 방지하기 위해 세라믹 코팅, 발포성 코팅, 나노 코팅 등의 표면 처리를 한다. 또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 원통형의 인공 광원 케이싱(210)은 외벽에의 미세조류 부착에 의한 인공광의 투과성 저하를 방지하기 위해 회전축(230)을 구동하여 케이싱을 회전시키고, 도 4에 나타난 바와 같이, 사각형의 인공 광원 케이싱(210)은 인공 광원 케이싱(210) 표면에 설치된 케이싱 청소와이퍼(260)를 사용하여 표면에 부착되는 미세조류를 세척한다.

또한, 상기 인공 광원 설치용 프레임(220)의 인공 광원(200)은 백열등, 형광등, 수은등, 나트륨등, 할로겐등, 발광다이오드(LED), 유기발광다이오드(OLED) 및 능동형유기발광다이오드(AMOLED)로 구성된 군에서 선택되고, 바람직하게는 발광다이오드(LED)를 사용할 수 있다. 이때, 인공 광원 케이싱(210)의 외벽 코팅은 초발수 코팅, 세라믹 코팅 및 실리콘 코팅으로 구성된 군에서 선택되고, 바람직하게는 세라믹 코팅을 사용할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, 교반기를 내부에 포함하는 혐기조, 무산소조, 포기조가 직렬 순차적으로 연결되어 있고, 막분리조, 미세조류배양조를 더 포함하는 하폐수처리공정 시스템에 있어서,

상기 혐기조는 하폐수가 유입되는 제1 배관, 혐기조처리수가 배출되는 제2 배관, 상기 무산소조와 연결된 제1 내부 반송 배관 및 상기 막분리조와 연결된 외부 반송 배관이 연결되어 있고, 상기 무산소조는 상기 혐기조에서 처리된 혐기조처리수가 유입되는 제2 배관, 무산소조처리수가 배출되는 제3 배관, 무산소조처리수의 일부를 상기 혐기조로 반송시키는 제1 내부 반송 배관, 상기 포기조와 연결된 제2 내부 반송 배관이 연결되어 있고, 상기 포기조는 상기 무산소조에서 처리된 무산소조처리수가 유입되는 제3 배관, 포기조처리수가 배출되는 제4 배관, 상기 무산소조로 포기조처리수 일부를 반송시키는 제2 내부 반송 배관 및 상기 미세조류배양조로부터 미세조류가 투입되는 미세조류투입관이 연결되어 있고, 미세조류의 성장을 유도하는 인공 광원부를 내부에 포함하며, 상기 미세조류배양조는 배양액이 유입되는 배양액유입관, 막분리조로부터 상등수가 유입되는 상등수배관, 플루 가스가 유입되는 플루 가스 유입관 및 배양된 미세조류를 상기 포기조로 투입하는 미세조류투입관이 연결되어 있고, 미세조류의 성장을 유도하는 인공 광원부를 내부에 포함하며, 상기 막분리조는 상기 포기조에서 처리된 포기조처리수가 유입되는 제4 배관, 막분리조처리수를 방류하는 제5 배관, 상기 혐기조로 막분리조처리수를 일부 반송하는 외부 반송 배관, 미세조류 배양조로 막분리조처리수를 일부 배출하는 상등수배관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템에 관한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 미세조류 배양조를 이용한 하폐수 처리공정 시스템에 관한 흐름도이고, 도 6은 본 발명에 따른 미세조류 배양조 및 포기조내 인공 광원 설치 도면이다.

도 5에 나타난 바와 같이, 미세조류 배양조를 이용한 하폐수 처리공정 시스템은 혐기조(300), 무산소조(400), 포기조(500), 막분리조(600), 미세조류 배양조(700), 인공광원(200) 및 플루 가스(800)를 포함한다.

구체적으로, 상기 혐기조(300)는 일 측면 상에는 하폐수가 유입되는 제1 배관(301)이 연결되며, 반대 측면 상에는 처리수가 배출되는 제2 배관(401)이 연결되고, 하부 측면 상에는 제1 내부 반송 배관(402) 및 외부 반송 배관(602)이 연결되며, 교반기를 포함한다. 혐기조(300)에서 처리된 처리수는 무산소조(400)로 이동한다.

상기 무산소조(400)는 일 측면 상에는 상기 혐기조에서 처리된 처리수가 유입되는 제2 배관(401)이 연결되며, 반대 측면 상에는 처리수가 배출되는 제3 배관(501)이 연결되고, 하부 측면 상에는 상기 혐기조와 연결되는 제1 내부 반송 배관(402) 및 제2 내부 반송 배관(502)이 연결되어 있고, 교반기를 포함한다. 무산소조(400)를 처리된 처리수는 포기조(500)로 이동한다.

상기 포기조(500)는 일 측면 상에는 상기 무산소조에서 처리된 처리수가 유입되는 제3 배관(501)이 연결되며, 반대 측면 상에는 처리수가 배출되는 제4 배관(601)이 연결되고, 상부 측면에는 미세조류가 투입되는 미세조류투입관(702)이 연결되고, 하부 측면 상에는 상기 무산소조와 연결되는 제2 내부 반송 배관(502)이 연결되고, 미세조류와 인공 광원과의 접촉율 증가를 위한 교반기 및 미세조류의 성장을 유도하는 인공 광원부를 포함한다. 상기 포기조(500)의 미세조류는 포기조(500)의 지상부에 위치한 미세조류 배양조(700)에서 투입된다. 상기 미세조류 배양조(700)는 일 측면 상에는 미세조류가 미세조류 유입관(미도시), 배양액이 유입되는 배양액 유입관(미도시) 및 플루 가스 유입관(703)이 연결되며, 반대 측면 상에는 상등수가 유입되는 상등수 배관(701)이 연결되고, 하부 측면 상에는 미세조류를 배출하고 상기 포기조와 연결되는 미세조류투입관(702)이 연결된다. 또한, 상기 미세조류 배양조(700)의 플루 가스는 화력 발전소, 소각로, 열병합 발전소 및 화석연료 연소가스 등의 배기 가스관과 직접적으로 연결되어 있다.

상기 제1 내부 반송 배관(402) 및 제2 내부 반송 배관(502)에 의해서 각각 혐기조와 무산소조로 반송되는 무산소조 처리수 및 포기조 처리수의 반송율은 유입되는 하수의 부피유량 대비 50% ~ 400% 범위이다.

상기 포기조(500)에서 미세조류에 의하여, 영양염류가 제거된 처리수는 막분리조(600)로 이동한다. 상기 막분리조(600)의 분리막은 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), PS(Polystylene), PES(Polyethersulfone), PVDF(Ployvinylidene fluoride) 재질의 MF(Micor filtration), UF(Ultra filtration) 군에서 선택되고 바람직하게는 PE 재재질의 MF(Micro filtration)을 사용할 수 있다, 상기 막분리조(600)의 일 측면 상에는 상기 포기조에서 처리된 처리수가 유입되는 제4 배관(601)이 연결되며, 반대 측면 상에는 침전수를 배출하는 제5 배관(603)이 연결되고, 또 다른 일측면 상에는 상기 혐기조와 연결되는 외부 반송 배관(602)이 연결된다. 슬러지는 외부 반송 배관(602)으로 혐기조(300)와 무산소조(400)로 반송되고 분리막 침전수는 후속 공정으로 배출되며 일부는 미세조류 배양조(700)로 이송된다.

상기 외부 반송 배관(602)에 의해서 혐기조로 반송되는 슬러지의 반송율은 유입되는 하수의 부피유량 대비 50% ~ 200% 범위이다.

도 6에 나타난 바와 같이, 상기 포기조와 미세조류 배양조에 설치되는 인공 광원부는 반응기 내부에 구비되며 일정 간격으로 설치되어 있는 다수개의 인공 광원; 상기 인공 광원 외부에 설치되어 수밀성을 갖는 인공 광원 케이싱; 상기 인공 광원 케이싱 내부에 구비되며 외부 전원으로부터 인공 광원에 전력을 공급하는 전력공급용 케이블; 상기 인공 광원 케이싱 외부에 설치되며 인공 광원 케이싱 표면에 부착되는 미세조류를 세척하는 케이싱 청소 와이퍼; 탈착형 구조체에 의해서 상기 인공 광원 케이싱이 고정되는 인공 광원 설치용 프레임; 상기 인공 광원 설치용 프레임 하단부에 설치되며 다수개의 고압가스 분사노즐이 구비된 고압가스 배출관을 포함하는 고압산기관; 및 상기 인공 광원 설치용 프레임들 사이에 설치되며 미세 조류 배양액을 혼합하는 교반기를 포함한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예에는 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 : 본 발명에 따른 활성슬러지 반응조와 활성슬러지와 조류 혼합 반응조의 제작

도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명을 이용한 질소 제거효율을 평가하기 위해 경기도 소재 하수처리장의 활성슬러지와 호소의 조류를 이용하여 도 7 a와 같은 활성슬러지 반응조와 도 7 b와 같은 활성슬러지와 조류 혼합 반응조를 제작하였다. 도 7 a에는 활성슬러지 350 ㎎/L를 식종하였고 도 7 b 반응조에는 활성슬러지 100 ㎎/L와 호소에서 채취한 조류를 100 ㎎/L 농도로 식종하였다. 각각의 반응조에 미생물을 식종한 후 실험을 실시하였다. 실험은 식종후 14회차 샘플링까지를 Phase Ⅰ 운전조건으로 운전하였으며 15회차부터 24회차 샘플링은 Phase Ⅱ 조건으로 운전하였다. Phase Ⅰ에서는 8시간 비폭기 후 4시간 폭기를 교대로 반복하는 운전을 하였으며 Phase Ⅱ에서는 Phase Ⅰ과 반대로 8시간 폭기후 4시간 비폭기 운전을 교대로 반복하였다. 활성슬러지 반응조(이하 AS)는 SBR(Sequencing Batch Reactor)로 운전하였으며 활성슬러지와 조류 혼합반응조(이하 ASA)는 폭기 조건일 때 LED 조명을 수중에 설치하고 4%의 농도의 이산화탄소를 주입하였다. 미생물과 하수와의 접촉을 원활히 하고 슬러지의 침강을 방지하기 위하여 연속적 교반을 실시하였다. 실험에 이용한 하수는 경기도 수원시에 소재한 하수처리장의 차집관거에서 채수하여 중력 침전후 상등수를 사용하였다. 각 반응기의 유효 용량은 1.5L 이며 매일 300mL의 하수를 비폭기 단계 시작 시점에 회분식으로 주입하였다. SRT 유지를 위해 하수 주입전 마지막 폭기 상황에서 활성슬러지, 조류 + 세균 반응조 슬러지를 Phase Ⅰ, Phase Ⅱ 각각에 대해 300mL와 150mL를 폐기하였으며 0.45㎛ GFC 여지로 여과한 후 방류수내 총질소, 총인을 측정하였다.

실시예 2 : 용존 산소 공급 효과

도 7에 나타난 결과와 같이, AS 반응조는 폭기 조건에서 송풍 장치를 이용하여 공기를 주입함으로써 용존 산소를 공급하였으나 ASA 반응조는 인위적인 공기 주입을 하지 않고 이산화탄소만을 주입하였다. 이때, 조류는 이산화탄소와 햇빛을 이용한 광합성과정에서 산소를 발생하는데 이를 공생하는 호기성 박테리아가 이용하게 된다. 본 실시예에서는 도 8 f와 같이 조류의 광합성 작용만으로 박테리아의 호기성 성장에 충분한 농도의 용존산소를 공급할 수 있었다. 이러한 결과는 조류와 박테리아가 공존하는 미생물 군집에서는 인위적인 공기 주입을 하지 않아도 되므로 하수처리장 운영비용의 30~50%를 차지하는 송풍비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 효과는 기존 및 신설되는 모든 하폐수처리장에서 조류 개체수를 적정하게 유지함으로써 호기성 활성슬러지 공법에 소요되는 송풍비용의 전부 혹은 일부의 절감이 가능하다.

실시예 3 : 질소 제거

도 8a와 도 8b는 연구 기간 동안 유입 하수와 처리수의 T-N 농도를 표시한 것이다. 대조 시험 시작 후 7일째부터 AS(활성슬러지)와 ASA(활성슬러지 + 조류) 반응조 모두 안정된 처리 특성을 나타내기 시작하였다. Phase Ⅰ 운전조건에서 유입수의 T-N 평균 농도는 26.124 ㎎/L, 방류수내 T-N 농도는 AS 반응기 13.102 ㎎/L, ASA 반응기 16.106 ㎎/L 이었다. T-N 처리효율은 AS 반응기 49.4%, ASA 반응기 37.7%로서 AS 반응기가 11.7 % 포인트 높았다. 반면 Phase Ⅱ 운전조건에서는 유입수의 T-N 평균 농도는 24.494 ㎎/L, 방류수내 T-N 농도는 AS 반응기 17.197 ㎎/L, ASA 반응기 10.844 ㎎/L 이었으며 T-N 처리효율은 AS 반응기 29.8%, ASA 반응기 55.7%로서 ASA 반응기가 25.9 % 포인트 높았다. 이러한 실험 결과를 통해 광원의 조사 주기 조절을 통해 ASA 반응기의 조류 생장 조절 및 용존 산소 공급을 통한 세균 활성도 조절이 가능함을 알 수 있다. 특히 Phase Ⅱ 운전조건에서는 매우 안정적이면서 높은 T-N 제거율을 얻을 수 있었다. AS 및 ASA 반응조 모두 하수도법에 명시된 방류수 수질 기준 20 ㎎/L 이내를 충족하였다.

실시예 4 : 인 제거

도 8c와 도 8d는 연구기간 동안 유입하수와 처리수에서의 T-P 농도를 나타낸 것이다. 본 발명 공정에서의 인 제거특성을 파악하기 위해 유입하수와 AS 반응조 및 ASA 반응조 처리수내 T-P 농도를 측정하였다. 반응조 운전 후 7주일 후부터 T-N과 유사하게 T-P 처리율이 안정적으로 유지되었다. 조류는 광합성 독립영양 미생물이며 광원과 이산화탄소가 존재하는 조건에서 광에너지를 이용하여 ADP를 ATP로 합성하는 것으로 알려져 있다. 이러한 미세조류의 인 섭취 기작은 Bio-P 박테리아의 인 섭취 기작이 동시에 진행될 경우 높은 인 제거효율을 달성할 수 있다. 본 발명의 실증 연구 결과 박테리아 단독 반응조에 비해 높은 인제거 효율을 나타내었다. Phase Ⅰ 운전조건에서 유입수의 T-P 평균 농도는 2.655 ㎎/L, 방류수내 T-P 농도는 AS 반응기 1.533 ㎎/L, ASA 반응기 1.241 ㎎/L 이었다. T-P 처리효율은 AS 반응기 42.1%, ASA 반응기 53.3%로서 ASA 반응기의 처리효율이 11.2 % 포인트 높았다. Phase Ⅱ 운전조건에서는 유입수의 T-P 평균 농도는 2.509 ㎎/L, 방류수내 T-P 농도는 AS 반응기 1.798 ㎎/L, ASA 반응기 0.398 ㎎/L 이었으며 T-P 처리효율은 AS 반응기 28.2%, ASA 반응기 84.2%로서 ASA 반응기가 56.0 % 포인트 높았다. 일반적인 SBR 공법은 하수처리공정에서 T-P 제거효율이 극히 낮지만 ASA 반응조는 매우 안정적으로 높은 T-P 제거율을 유지하였으며 실제 하수처리장에 적용시 화학적 응집처리에 필요한 응집 비용의 대폭적인 절감이 가능하고 화학응집을 위한 시설 설치 비용의 절감이 가능하다.

실시예 5 : 이산화탄소 제거

AS 반응조의 MLSS 농도는 초기 350 ㎎/L에서 100 ㎎/로 안정화 되었으나 ASA 반응조의 MLSS 농도는 Phase Ⅰ에서 평균 192.5 ㎎/L를 유지하였으며 Phase Ⅱ에서는 평균 279.1 ㎎/L를 유지하였다. 따라서 ASA 반응조에 서식하는 279.1 mg/L의 MLSS에는 산술적으로 최소 179.1 ㎎/L의 미세조류가 존재(AS 반응조의 활성미생물 100 ㎎/L가 ASA 반응조에도 존재한다고 하면 나머지 179.1 ㎎/L는 미세조류임)하고 있다. 즉, ASA 반응조의 MLSS 중 최소 64.2%는 광합성 미세조류이며 매일 폐기되는 300mL를 감안하면 96.8 ㎎(0.642 × 279.1 ㎎/L × 300mL × 1.8)의 이산화탄소가 저감된다. 만약 300,000㎥/일의 하폐수처리장에 본 특허 공법을 적용할 경우 매일 96,800 kg/일(35,332톤/년)의 이산화탄소를 저감할 수 있으며 탄소배출권 거래 금액(지경부 고시 금액 12천원/톤/년)으로 환산하면 약 4억2천4백만원의 이산화탄소 배출권을 확보할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 도면에 예시된 것에 한정되는 것은 아니며, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 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.

100 : 플루가스 주입관 110 : 고압가스 분사노즐
120 : 고압가스 배출관 200 : 인공 광원
210 : 인공 광원 케이싱 211 : 전력공급용 케이블
220 : 인공 광원 설치용 프레임 230 : 회전축
240 : 케이싱 걸이 250 : 인공 광원 걸이
260 : 케이싱 청소 와이퍼 270 : 교반기
280 : 이산화탄소 290 : 산소
300 : 혐기조 301 : 제1 배관
400 : 무산소조 401 : 제2 배관
402 : 제1 내부 반송 배관 500 : 포기조
501 : 제3 배관 502 : 제2 내부 반송 배관
600 : 막분리조 601 : 제4 배관
602 : 외부 반송 배관 603 : 제5 배관
700 : 미세조류 배양조 701 : 상등수배관
702 : 미세조류투입관 703 : 플루 가스 유입관
800 : 플루 가스(fiue gas)

Claims

일 측면 상에 미세조류 투입구, 배양액 투입구 및 플루 가스 투입구 및 상등수의 투입구가 구비되고, 하부 측면 상에는 미세조류 배출구가 구비되어 있는 반응기;
상기 반응기 내부에 일정 간격으로 설치되어 있는 다수개의 인공 광원;
상기 인공 광원 외부에 설치되어 수밀성을 갖는 인공 광원 케이싱;
상기 인공 광원 케이싱 내부에 구비되며 외부 전원으로부터 인공 광원에 전력을 공급하는 전력공급용 케이블;
상기 인공 광원 케이싱 외부에 설치되며 인공 광원 케이싱 표면에 부착되는 미세조류를 세척하는 케이싱 청소 와이퍼;
탈착형 구조체에 의해서 상기 인공 광원 케이싱이 고정되는 인공 광원 설치용 프레임;
상기 인공 광원 설치용 프레임 하단부에 설치되며 다수개의 고압가스 분사노즐이 구비된 고압가스 배출관을 포함하는 고압산기관; 및
상기 인공 광원 설치용 프레임들 사이에 설치되며 미세 조류 배양액을 혼합하는 교반기를 포함하는 하는 미세조류 배양조.
제1항에 있어서, 상기 반응기의 플루 가스 투입구는 발전소의 배기 가스관과 직접적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양조.
제1항에 있어서, 상기 탈착 구조체는 수직형, 수평형 및 복합형에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양조.
제1항에 있어서, 상기 인공 광원은 백열등, 형광등, 수은등, 나트륨등, 할로겐등, 발광다이오드(LED), 유기발광다이오드(OLED) 및 능동형유기발광다이오드(AMOLED)로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양조.
제1항에 있어서, 상기 인공 광원 케이싱의 표면은 초발수 코팅, 실리콘 코팅 및 세라믹 코팅으로 구성된 군에서 선택되는 것으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 미세조류 배양조.
교반기를 내부에 포함하는 혐기조, 무산소조, 포기조가 직렬 순차적으로 연결되어 있고, 막분리조, 미세조류배양조를 더 포함하는 하폐수처리공정 시스템에 있어서,
상기 혐기조는 하폐수가 유입되는 제1 배관, 혐기조처리수가 배출되는 제2 배관, 상기 무산소조와 연결된 제1 내부 반송 배관 및 상기 막분리조와 연결된 외부 반송 배관이 연결되어 있고,
상기 무산소조는 상기 혐기조에서 처리된 혐기조처리수가 유입되는 제2 배관, 무산소조처리수가 배출되는 제3 배관, 무산소조처리수의 일부를 상기 혐기조로 반송시키는 제1 내부 반송 배관, 상기 포기조와 연결된 제2 내부 반송 배관이 연결되어 있고,
상기 포기조는 상기 무산소조에서 처리된 무산소조처리수가 유입되는 제3 배관, 포기조처리수가 배출되는 제4 배관, 상기 무산소조로 포기조처리수 일부를 반송시키는 제2 내부 반송 배관 및 상기 미세조류배양조로부터 미세조류가 투입되는 미세조류투입관이 연결되어 있고, 미세조류의 성장을 유도하는 인공 광원부를 내부에 포함하며,
상기 미세조류배양조는 배양액이 유입되는 배양액유입관, 막분리조로 부터 상등수가 유입되는 상등수배관, 플루 가스가 유입되는 플루 가스 유입관 및 배양된 미세조류를 상기 포기조로 투입하는 미세조류투입관이 연결되어 있고, 미세조류의 성장을 유도하는 인공 광원부를 내부에 포함하며,
상기 막분리조는 상기 포기조에서 처리된 포기조처리수가 유입되는 제4 배관, 막분리조처리수를 방류하는 제5 배관, 상기 혐기조로 막분리조의 슬러지를 혐기조로 반송하는 외부 반송 배관, 미세조류 배양조로 막분리조처리수를 일부 배출하는 상등수배관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템.
제6항에 있어서, 상기 포기조 및 미세조류 배양조의 인공 광원부는,
반응기 내부에 일정 간격으로 설치되어 있는 다수개의 인공 광원;
상기 인공 광원 외부에 설치되어 수밀성을 갖는 인공 광원 케이싱;
상기 인공 광원 케이싱 내부에 구비되며 외부 전원으로부터 인공 광원에 전력을 공급하는 전력공급용 케이블;
상기 인공 광원 케이싱 외부에 설치되며 인공 광원 케이싱 표면에 부착되는 미세조류를 세척하는 케이싱 청소 와이퍼;
탈착형 구조체에 의해서 상기 인공 광원 케이싱이 고정되는 인공 광원 설치용 프레임;
상기 인공 광원 설치용 프레임 하단부에 설치되며 다수개의 고압가스 분사노즐이 구비된 고압가스 배출관을 포함하는 고압산기관; 및
상기 인공 광원 설치용 프레임들 사이에 설치되며 미세 조류 배양액을 혼합하는 교반기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템.
제7항에 있어서, 상기 탈착 구조체는 수직형, 수평형 및 복합형에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템.
제7항에 있어서, 상기 인공 광원은 백열등, 형광등, 수은등, 나트륨등, 할로겐등, 발광다이오드(LED), 유기발광다이오드(OLED) 및 능동형유기발광다이오드(AMOLED)로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템.
제7항에 있어서, 상기 인공 광원 케이싱의 표면은 초발수 코팅, 실리콘 코팅 및 세라믹 코팅으로 구성된 군에서 선택되는 것으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템.
제6항에 있어서, 상기 미세조류 배양조의 플루 가스가 유입되는 플루가스 유입관은 발전소의 배기 가스관과 직접적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 하폐수 처리공정 시스템.