KR101819007B1 - 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법 - Google Patents

종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축산폐수를 생물학적으로 처리하고 축산폐수 내의 유기물을 미세조류의 탄소원으로 활용되도록 함과 함께 축산폐수 내의 암모니아성 질소의 농도를 미세조류 배양에 최적화되도록 제어함으로써 축산폐수의 처리 및 미세조류 배양효율을 향상시킬 수 있는 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치는 축산폐수를 혐기성소화시키는 혐기소화조; 혐기소화조의 혐기성소화액 내에 포함되어 있는 고형물을 응집제를 이용하여 응집, 침전시키는 응집침전조; 상기 응집침전조로부터 상등액을 공급받아, 응집침전조의 상등액에 잔류하는 미세 고형물을 분리막을 이용하여 여과하는 분리막 여과조; 상기 분리막 여과조의 처리수를 공급받아, 상기 처리수의 pH를 9∼12로 조절하여 처리수 내에 용존되어 있는 암모늄 이온(NH4 +)을 유리 암모니아(NH3)로 변환시킴과 함께 변환된 유리 암모니아(NH3)를 배출시켜 처리수 내의 암모니아성 질소의 농도를 1000mg N/L 이하로 제어하는 암모니아 탈기조; 상기 암모니아 탈기조의 유출수를 이용하여 미세조류를 배양하는 미세조류 배양조; 및 상기 미세조류 배양조의 유출수를 오존(O3)과 접촉시켜 미세조류 배양조의 유출수 내에 포함되어 있는 잔류유기물을 산화시켜 농도를 낮추고 색도를 제거하는 오존산화조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법{Apparatus and method for animal wastewater treatment using heterotrophic microalga}
본 발명은 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 축산폐수를 생물학적으로 처리하고 축산폐수 내의 유기물을 미세조류의 탄소원으로 활용되도록 함과 함께 축산폐수 내의 암모니아성 질소의 농도를 미세조류 배양에 최적화되도록 제어함으로써 축산폐수의 처리 및 미세조류 배양효율을 향상시킬 수 있는 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 이산화탄소 배출에 따른 지구온난화현상을 완화하기 위해 이산화탄소 감축 문제와 관련하여 미세조류에 대한 관심이 증폭되고 있다. 미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소를 생물학적으로 고정하여 에너지원으로 사용하며, 미세조류의 성장결과로 얻어진 바이오매스는 동물의 사료, 바이오에너지의 원료 등으로 활용가치가 높다. 또한, 미세조류의 배양에 필요한 질소 및 인을 인위적으로 공급하지 않고 가축분뇨에 포함되어 있는 질소와 인을 이용하면 부영양화를 완화시킬 수 있다.
이에, 축산폐수를 이용한 미세조류 배양액 개발(한국공개특허 제2003-76133호, 제2003-95154호)과 같이 하폐수를 배지로 이용하여 미세조류를 배양하고자 하는 시도들이 있다. 그러나, 이 경우 조류배양을 목적으로 하기 때문에 하폐수의 처리가 안정적으로 이루어지기는 어려운 단점이 있다.
또한, 미세조류를 이용하여 하폐수를 처리하기 위한 기술들로서 유동성 접촉재 모듈과 조류 모듈을 이용한 수질정화 장치 및 이를 이용한 수질정화 방법(한국 공개특허 제2006-100869호), 부착조류 시스템을 이용한 농촌유역 수질 개선방법(한국공개특허 제2005-0024728호)이 제시되었다. 그리고, 미세조류를 이용하여 하폐수를 처리하는 반응조의 형상(한국공개특허 제2012-73432호), 미세조류의 배양과 수확장치(한국공개특허 제2011-118908호)가 제시된 바 있다.
그러나, 상기의 기술들은 가축분뇨 혐기소화액에 포함되어 있는 고농도의 질소와 인을 직접적으로 처리하기에는 한계가 있으며, 인위적으로 조류의 성장을 조절할 수 없어 질소 및 인의 처리효율이 낮고, 처리효율을 조절하기 매우 어렵다는 단점이 있다. 또한, 부착조류를 이용하거나 일정한 계 내에 존재하는 조류를 이용하기 때문에 미세조류의 안정적인 생산과 회수가 어려운 단점이 있다. 이와 함께, 고농도로 용존되어 있는 암모니아성 질소가 독성요소로 작용하여 미세조류 성장이 방해되는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2003-76133호 한국공개특허 제2003-95154호 한국공개특허 제2006-100869호 한국공개특허 제2005-0024728호 한국공개특허 제2012-73432호 한국공개특허 제2011-118908호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 축산폐수를 생물학적으로 처리하고 축산폐수 내의 유기물을 미세조류의 탄소원으로 활용되도록 함과 함께 축산폐수 내의 암모니아성 질소의 농도를 미세조류 배양에 최적화되도록 제어함으로써 축산폐수의 처리 및 미세조류 배양효율을 향상시킬 수 있는 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치는 축산폐수를 혐기성소화시키는 혐기소화조; 혐기소화조의 혐기성소화액 내에 포함되어 있는 고형물을 응집제를 이용하여 응집, 침전시키는 응집침전조; 상기 응집침전조로부터 상등액을 공급받아, 응집침전조의 상등액에 잔류하는 미세 고형물을 분리막을 이용하여 여과하는 분리막 여과조; 상기 분리막 여과조의 처리수를 공급받아, 상기 처리수의 pH를 9∼12로 조절하여 처리수 내에 용존되어 있는 암모늄 이온(NH4 +)을 유리 암모니아(NH3)로 변환시킴과 함께 변환된 유리 암모니아(NH3)를 배출시켜 처리수 내의 암모니아성 질소의 농도를 1000mg N/L 이하로 제어하는 암모니아 탈기조; 상기 암모니아 탈기조의 유출수를 이용하여 미세조류를 배양하는 미세조류 배양조; 및 상기 미세조류 배양조의 유출수를 오존(O3)과 접촉시켜 미세조류 배양조의 유출수 내에 포함되어 있는 잔류유기물을 산화시켜 농도를 낮추고 색도를 제거하는 오존산화조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 오존산화조를 대체하여 약품을 이용한 고도산화조 또는 전기분해조가 구비될 수 있다.
또한, 상기 오존산화조는 상기 미세조류 배양조의 전단에 배치될 수 있다.
삭제
상기 암모니아 탈기조 내에 유리 암모니아(NH3)와 액상의 접촉면적을 증가시켜 유리 암모니아(NH3)의 탈기를 촉진시키는 역할을 하는 탈기 담체가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리방법은 축산폐수를 혐기성소화시켜 혐기성소화액을 발생시키는 단계; 혐기소화조의 혐기성소화액 내에 포함되어 있는 고형물을 응집제를 이용하여 응집, 침전시켜 침전물과 상등액으로 분리하는 단계; 상기 상등액에 잔류하는 미세 고형물을 분리막을 이용하여 여과하는 단계; 상기 분리막에 의해 여과된 처리수를 암모니아 탈기조에 공급하고, 처리수의 pH를 9∼12로 조절하여 처리수 내에 용존되어 있는 암모늄 이온(NH4 +)을 유리 암모니아(NH3)로 변환시킴과 함께 변환된 유리 암모니아(NH3)를 배출시켜 처리수 내의 암모니아성 질소의 농도를 1000mg N/L 이하로 제어하는 단계; 상기 암모니아 탈기조의 유출수를 이용하여 미세조류를 배양하는 단계; 및 미세조류 배양 후 배출되는 유출수는 오존(O3)과 접촉시켜 유출수 내에 포함되어 있는 잔류유기물을 산화시켜 농도를 낮추고 색도를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
축산폐수를 생물학적으로 처리함과 함께 미세조류 배양에 이용함에 있어서, 축산폐수 내의 고형물이 응집, 침전 및 분리막 여과를 통해 제거됨에 따라 축산폐수의 유기탄소원이 종속영양 미세조류의 배양에 원활히 이용될 수 있다. 또한, 축산폐수 내에 포함되어 있는 고농도의 암모니아성 질소를 암모니아 탈기를 통해 최적 수준의 농도로 제어할 수 있어 고농도의 암모니아성 질소에 의해 미세조류 생장이 방해되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치를 통해 원수를 처리함에 있어서, 각 처리단계에서의 오염물질별 제거율을 나타낸 실험결과.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치를 통한 종속영양 미세조류의 성장과 그에 따른 오염물질의 제거정도를 나타낸 실험결과.
본 발명은 축산폐수를 정화함과 함께 축산폐수 내에 포함되어 있는 유기물을 종속영양 미세조류의 탄소원으로 이용되도록 하는 기술을 제시한다. 또한, 본 발명은 축산폐수 내의 유기물을 통해 종속영양 미세조류를 배양함에 있어서, 축산폐수 내에 용존되어 있는 암모니아성 질소가 미세조류 배양에 독성요소로 작용되는 것을 방지하기 위해 암모니아성 질소의 농도를 미세조류 배양에 요구되는 최적 농도로 제어하는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치는 혐기소화조(110), 응집침전조(120), 분리막 여과조(130), 암모니아 탈기조(140), 미세조류 배양조(150) 및 오존산화조(160)를 포함하여 구성된다.
상기 혐기소화조(110)는 혐기조건 하에 축산폐수를 혐기성소화시키는 역할을 한다. 축산폐수는 혐기성소화에 의해 혐기성소화액으로 변환되며, 혐기성소화 과정에서 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2) 등의 바이오가스가 발생된다.
상기 응집침전조(120)는 상기 혐기소화조(110)로부터 혐기성소화액을 공급받은 상태에서, 응집제를 이용하여 혐기성소화액 내에 포함되어 있는 부유성, 용존성 고형물을 응집, 침전시키는 역할을 한다. 응집효율 향상을 위해 상기 응집침전조(120) 내에는 교반기가 구비될 수 있으며, 상기 응집침전조(120) 내에서의 응집침전에 의해 혐기성소화액은 침전물과 상등액으로 분리되며, 분리된 상등액은 상기 분리막 여과조(130)로 공급된다.
상기 분리막 여과조(130)는 상기 응집침전조(120)로부터 공급되는 상등액을 분리막(131)으로 여과하여 상등액 내에 잔류하는 미세 고형물을 여과하는 역할을 하며, 분리막(131)에 의해 여과된 처리수는 상기 암모니아 탈기조(140)로 공급된다. 상기 분리막(131)으로는 정밀여과막(microfiltration) 또는 한외여과막(ultrafiltration)이 이용될 수 있다.
상기 암모니아 탈기조(140)는 상기 분리막 여과조(130)의 처리수에 용존되어 있는 유리 암모니아(NH3)를 탈기하여 처리수 내의 암모니아성 질소의 농도를 낮추는 역할을 한다.
처리수 내의 암모니아는 암모늄 이온(NH4 +) 또는 유리 암모니아(NH3)로 존재한다. 또한, 암모늄 이온(NH4 +)은 처리수 내에 용존된 형태로 존재하고, 유리 암모니아(NH3)는 기체 상태로 존재한다. 암모늄 이온(NH4 +)은 용존되어 있는 처리수의 pH 및 온도에 따라 유리 암모니아(NH3)로 변환될 수 있다. 암모늄 이온(NH4 +)의 유리 암모니아(NH3)로의 변환은 pH의 지배적인 영향을 받으며, 처리수의 pH가 높아질수록 그리고 온도가 높을수록 유리 암모니아(NH3)의 비율이 높아진다. 이와 같은 특성을 이용하여, 처리수의 pH를 높이면 유리 암모니아(NH3)의 비율을 높일 수 있으며, 변환된 유리 암모니아(NH3)의 탈기를 통해 처리수 내의 암모니아성 질소의 농도를 낮출 수 있게 된다.
암모늄 이온(NH4 +)의 유리 암모니아(NH3)로의 변환을 위해, 상기 분리막 여과조(130)의 처리수를 상기 암모니아 탈기조(140)로 공급하기 전에 처리수의 pH는 9∼12로 조절된다. 처리수의 pH가 9∼12로 조절됨으로 인해 상술한 바와 같은 암모늄 이온(NH4 +)의 유리 암모니아(NH3)로의 변환이 진행된다. 암모늄 이온(NH4 +)이 유리 암모니아(NH3)로 변환되는 과정에서, 암모니아 탈기조(140)의 하부에 공기를 주입하면 변환된 유리 암모니아(NH3)는 기체 상태로 탈기되어 암모니아 탈기조(140)의 일측에 구비된 배기구를 통해 배출된다. 이와 같은 암모니아 탈기공정을 통해 처리수 내의 암모니아성 질소의 농도를 낮출 수 있게 된다. 이 때, 처리수의 pH가 9보다 낮으면 암모늄 이온(NH4 +)의 유리 암모니아(NH3)로의 변환이 진행되지 않으며, 처리수의 pH가 12를 초과하면 질소의 과다 배출로 인해 후속의 미세조류 배양시 영양염류의 감소가 초래된다.
한편, 상기 암모니아 탈기조 내에는 암모니아 탈기 효율을 높이기 위한 탈기 담체가 구비될 수 있다. 상기 탈기 담체는 유리 암모니아(NH3)와 액상의 접촉면적을 증가시켜 유리 암모니아(NH3)의 탈기를 촉진시키는 역할을 한다.
후속의 미세조류 배양조(150)를 이용한 미세조류 배양시, 암모니아성 질소가 미세조류 독성요소로 작용하는 것을 방지하기 위해 상기 암모니아 탈기조(140)로부터 배출되는 유출수의 암모니아성 질소의 농도는 1000mg N/L 이하로 제어되는 것이 바람직하며, 처리수의 pH를 9∼12로 조절함으로써 암모니아성 질소의 농도를 1000mg N/L 이하로 조절할 수 있다.
상기 미세조류 배양조(150)는 상기 암모니아 탈기조(140)로부터 암모니아가 탈기된 유출수를 공급받아, 미세조류를 배양하는 역할을 한다. 전술한 공정을 통해, 축산폐수 내의 고형물이 응집침전조(120) 및 분리막 여과조(130)에 의해 제거됨으로 인해 종속영양 미세조류 배양에 필요한 유기탄소원만이 잔류하게 되고, 암모니아 탈기조(140)에 의해 암모니아성 질소의 농도가 최적화됨에 따라, 미세조류 배양조(150) 내에서 암모니아 탈기조(140)의 유출수에 존재하는 유기탄소원을 이용한 종속영양 미세조류 배양이 원활히 진행될 수 있다. 상기 미세조류 배양조(150)로부터 배출되는 유출수는 상기 오존산화조(160)로 전달된다. 상기 오존산화조(160)의 전단에 미세조류 배양조(150)의 유출수를 미세조류와 처리수로 분리하는 미세조류 분리막(도시하지 않음)이 더 구비될 수도 있다.
상기 오존산화조(160)는 미세조류 배양조(150)의 유출수 또는 미세조류 분리막에 의해 분리된 처리수를 오존(O3)과 접촉시켜 미세조류 배양조(150)의 유출수 또는 미세조류 분리막의 처리수 내에 포함되어 있는 잔류유기물을 산화시켜 농도를 낮추고 색도를 제거하는 역할을 한다. 오존은 별도의 오존발생장치(도시하지 않음)를 통해 공급되며, 오존산화조(160) 내에 공급된 오존은 미세조류 배양조(150)의 유출수 또는 미세조류 분리막의 처리수 내의 유기물과 직접 반응할 수 있으며, 이와 함께 오존(O3)과 물(H2O)의 반응에 의해 생성된 OH 래디컬(OH·)이 유기물과 반응하여 잔류유기물의 농도를 낮추고 색도가 제거될 수도 있다. 즉, 오존산화조(160) 내에서의 유기물 산화는 오존(O3) 또는 OH 래디컬(OH·)에 의해 진행된다.
한편, 상기 오존산화조(160)를 대체하여, 약품을 이용한 고도산화조 또는 전기분해조가 구비될 수도 있으며, 상기 고도산화조 또는 전기분해조를 통해 처리수 내의 잔류유기물을 산화시켜 색도를 낮출 수 있다.
다음으로, 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치를 통해 원수를 처리함에 있어서, 각 처리단계에서의 오염물질별 제거율을 나타낸 실험결과이다. 도 2를 참조하면, 응집침전과 분리막 여과를 통하여 고형물이 거의 제거됨과 함께 유기물, 색도, 질소, 인의 일부가 제거되며, 암모니아 탈기에 의하여 상당부분의 암모니아가 제거되며, 종속영양 미세조류에 의하여 나머지 질소와 인이 제거되고, 최종적으로 오존산화에 의하여 잔류유기물과 색도가 제거됨을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치를 통한 종속영양 미세조류의 성장과 그에 따른 오염물질의 제거정도를 나타낸 실험결과이다. 도 3을 참조하면, 종속영양 미세조류의 성장에 의하여 용존유기물, 질소, 인이 제거됨을 알 수 있다.
110 : 혐기소화조 120 : 응집침전조
130 : 분리막 여과조 131 : 분리막
140 : 암모니아 탈기조 150 : 미세조류 배양조
160 : 오존산화조

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  7. 축산폐수를 혐기성소화시켜 혐기성소화액을 발생시키는 단계;
    혐기소화조의 혐기성소화액 내에 포함되어 있는 고형물을 응집제를 이용하여 응집, 침전시켜 침전물과 상등액으로 분리하는 단계;
    상기 상등액에 잔류하는 미세 고형물을 분리막을 이용하여 여과하는 단계;
    상기 분리막에 의해 여과된 처리수를 암모니아 탈기조에 공급하고, 처리수의 pH를 9∼12로 조절하여 처리수 내에 용존되어 있는 암모늄 이온(NH4 +)을 유리 암모니아(NH3)로 변환시킴과 함께 변환된 유리 암모니아(NH3)를 배출시켜 처리수 내의 암모니아성 질소의 농도를 1000mg N/L 이하로 제어하는 단계;
    상기 암모니아 탈기조의 유출수에 존재하는 유기탄소원을 이용하여 종속영양 미세조류를 배양하는 단계; 및
    미세조류 배양 후 배출되는 유출수는 오존(O3)과 접촉시켜 유출수 내에 포함되어 있는 잔류유기물을 산화시켜 농도를 낮추고 색도를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    암모니아 탈기조의 유출수를 이용하여 미세조류를 배양하기 전에, 암모니아 탈기조의 유출수에 대해 오존산화를 실시하여 색도를 제거하며,
    상기 암모니아 탈기조 내에 유리 암모니아(NH3)와 액상의 접촉면적을 증가시켜 유리 암모니아(NH3)의 탈기를 촉진시키는 역할을 하는 탈기 담체가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 종속영양 미세조류를 이용한 축산폐수 처리방법.
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