KR101935093B1

KR101935093B1 - 선택적 미생물 고정화 담체

Info

Publication number: KR101935093B1
Application number: KR1020160078900A
Authority: KR
Inventors: 이수철
Original assignee: 주식회사 에코비젼
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2019-01-03
Also published as: KR20180000628A

Abstract

본 발명은 선택적 미생물 고정화 담체를 이용한 오염물 정화기술에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고농도의 질소 및 유기물이 함유된 폐수의 처리에 있어 고농도의 바실러스 미생물 및 질산화 미생물 그래뉼을 선택적으로 담체에 고정화 시킨 후 이를 이용하여 폐수처리를 하는 오염물 정화기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 오염물 정화기술은 선택적으로 고농도의 바실러스 미생물 및 질산화 미생물을 담체에 높은 농도로 고정화 할 수 있어 매우 뛰어난 처리 효율을 나타내며 암모니아의 산화에 의해 생성되는 아질산이 최종적으로 질산으로 산화되지 않고 아질산의 상태로 탈질될 수 있도록, 암모니아 또는 생성물인 아질산에 의해 아질산산화균의 활성을 저해함으로써, 암모니아를 아질산으로만 산화시키는 암모니아 산화균을 선택적으로 우점화 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 선택적 미생물 고정화 담체를 이용한 오염물 정화기술은 암모니아를 질산으로 질산화시켜 폐수를 처리하는 공정에 비해 요구되는 에너지 및 탄소원 비용을 절감할 수 있고, pH 조절시 복잡한 공정이나 별도의 장치가 필요하지 않아 공정을 간소화할 수 있다.

Description

선택적 미생물 고정화 담체{Selective Microorganism Immobilization Support}

본 발명은 선택적 미생물 고정화 담체를 이용한 오염물 정화기술에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고농도의 질소 및 유기물이 함유된 폐수의 처리에 있어 고농도의 바실러스 미생물 및 질산화 미생물을 선택적으로 담체에 고정화 시킨 후 이를 이용하여 폐수처리를 하는 오염물 정화기술에 관한 것이다.

급속한 경제 발전과 산업화 현상은 인구의 증가와 도시의 집중화를 가속화하여 환경오염이 심각한 수준에 이르고 있으며 그 중에서도 하수슬러지, 축산 폐수, 음식물 폐수 등은 유기물 부하가 높아 환경에 막대한 영향을 미치고 있어 유기성 폐기물의 처리가 세계적으로 관심을 기울이고 있다. 우리나라의 경우에도 1997년에는 육상 매립 금지에 이어 2013년부터 유기성 폐기물의 해양 투기를 금지하면서, 유기성 폐기물 전량을 육지에서 처리해야만 한다. 이에 따라 정부는 그 동안 금지하였던 육상 매립을 LFG 시설이 구비되고 슬러지 함수율이 75%이하, 슬러지 발생량이 500ton/day인 경우 일부 허용하기로 하였다. 따라서 이러한 유기성폐기물을 처리하기 위한 기술의 확보가 시급한 실정이다.

특히, 질소는 하천의 자정작용에 악영향을 미치며 수계에 배출될 때 조류의 이상증식을 조장하여 부영양화 현상을 유발하거나 용존 산소의 소비, 수생 생물에 직접적인 독성을 나타내므로 특별한 처리공정의 기술개발이 이루어지고 있다.

생물막 공정은 매체의 표면에 미생물을 부착시켜 전체적으로 반응조 내 미생물양을 증대시켜, pH 변동 등의 충격부하에 대한 적응성이 강하고 난분해성 물질 유입에 따른 처리성능 저하를 완화할 수 있는 하, 폐수 처리 공법이다.

생물막 공법에서 담체의 표면적과 미생물 부착성은 생물학적 처리공정에서 처리효율을 결정하는 중요한 인자이다. 고정 담체의 생물막은 담체 표면에 미생물이 부착하여 성장하므로 공학적인 측면에서 생물막을 빠르게 형성시키고 고농도의 미생물을 유지할 수 있는 담체의 조건을 구하는 것이 중요하다. 또한, 담체는 미생물의 서식처로서 충분한 공간을 제공하여야 하고 영양분의 공급이 용이하도록 통로가 확보되어야 하며 독성물질의 유출이 없어야 한다. 담체를 이용하는 공법의 성공여부는 담체표면에 얼마나 많은 미생물이 부착 성장할 수 있는가에 달려 있다.

생물막 공법은 유입 폐수의 농도가 높거나 급격한 유량 변동 시 부착된 미생물이 쉽게 탈리되기 때문에 많은 미생물 부착을 위해서는 비표면적을 크게 만들어야 한다. 하지만 비표면적을 크게 만들수록 미생물이 부착된 공극률이 작아지기 때문에 미생물 성장에 따른 공극의 폐쇄가 쉽게 일어나는 단점이 있다. 또한 생물막을 형성하는데 있어 오랜 시간이 걸리며 자연적으로 부착하기 쉬운 균이 우점종으로 밀집하게 되어 두꺼운 생물막을 형성시킨다. 이로 인해 미생물 층 내부 산소전달의 한계로 인하여 내부 혐기화로 인해 미생물 층의 탈리가 발생 하여 미생물의 농도가 낮아져 제거율이 저하되는 원인이 된다.

미생물 고정화법은 생물막법, 자기고정화법, 포괄고정화법 등의 방법이 있다.

결합고정화법은 하천수에 오염물질이 유입될 경우 자갈 표면 등에 부착된 미생물들에 의하여 오염물질이 제거되는 현상에서 시작된 것으로 접촉재 표면에 형성된 생물막을 이용하여 생물막과 하수 및 폐수의 접촉을 반복시킴으로써 오염물질을 생물학적으로 산화/분해시키는 방법이다.

자기고정화법은 미생물이 적정한 수리조건 하에서 활성슬러지의 플럭과 비교하여 아주 치밀하고 비중이 높은 직경 2∼3mm의 조립체를 형성하게 하는 방법으로, 균체를 펠렛형으로 고농도로 보유할 수 있고, 고부하 운전이 가능하며, 펠렛의 활성이 매우 높은 특성을 지닌 새로운 처리방식 중의 하나이다.

포괄고정화법은 결합고정화법의 단점을 보완한 방법으로 특정 미생물을 담체 내부에 고정화시켜 고농도로 안정하게 유지할 수 있으며, 유기성 물질의 처리시간을 단축할 수 있다. 또한 특정 미생물을 고정화시킴으로써 특정물질의 선택적 처리가 가능하다는 장점이 있다.

결합고정화법과 포괄고정화법

	결합고정화법	포괄고정화법
미생물의 존재상태	여재의 표면에 미생물 증식	담체 내부에 미생물을 가둠
미생물의 기원	자연 발생적	인위적(특정 미생물 고정화)
미생물의 양	10⁸∼10⁹ cell/cm³	약 10¹⁰ cell/cm³
미생물의 증식능력	·미생물이 증식하여 한번에 탈리됨·미생물 개체수의 유지가 어려움	·담체 내에서 대폭적으로 증가 ·미생물 개체수의 안정적 유지 용이

미생물 고정화 기술에 사용되는 고분자 물질은 오염물질의 확산성이 높고 미생물에 독성을 거의 미치지 않는 천연 고분자 물질인 알지네이트(alginate)이다. 그러나 천연 고분자 물질은 물리적 강도가 떨어지며 미생물에 의해 분해되는 성질이 있어 내구성이 떨어지기 때문에 합성 고분자 물질을 적정 비율로 혼합하여 각 물질의 장점을 극대화하도록 한다.

본 발명은 선택적 미생물 고정화 담체를 이용한 오염물 정화기술에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고농도의 질소 및 유기물이 함유된 폐수의 처리에 있어 고농도의 바실러스 미생물 및 질산화 미생물 그래뉼을 선택적으로 담체에 고정화 시킨 후 이를 이용하여 폐수처리를 하는 오염물 정화기술에 관한 것이다.

본 발명에 따른 오염물 정화기술은 선택적으로 고농도의 바실러스 미생물 및 질산화을 담체에 높은 농도로 고정화 하여 매우 뛰어난 처리 효율을 나타내며 암모니아의 산화에 의해 생성되는 아질산이 최종적으로 질산으로 산화되지 않고 아질산의 상태로 탈질될 수 있도록, 암모니아 또는 생성물인 아질산에 의해 아질산산화균의 활성을 저해함으로써, 암모니아를 아질산으로만 산화시키는 암모니아 산화균을 선택적으로 우점화 시킬 수 있다.

본 발명에 따른 선택적 미생물 고정화 담체를 이용한 오염물 정화기술은 암모니아를 질산으로 질산화시켜 폐수를 처리하는 공정에 비해 요구되는 에너지 및 탄소원 비용을 절감할 수 있고, pH 조절시 복잡한 공정이나 별도의 장치가 필요하지 않아 공정을 간소화할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 배양기질로 고농도의 암모니아가 함유된 폐수를 질산화 미생물이 포함된 생물반응기에 연속회분 방식으로 주입하는 단계; (b) 연속회분식 반응기로 질산화에 필요한 산소를 공급하면서 질산화 미생물의 그래뉼을 형성시키는 단계; (c) 산소공급을 중단하여 반응기 혼합을 중지시킨 다음, 형성된 질산화 미생물 그래뉼은 침강시키고, 그래뉼 형성이 되지 않은 슬러지는 배출시키는 단계; 및 (d) 침강된 질산화 미생물 그래뉼을 인출하는 단계를 포함하는 질산화 미생물의 그래뉼화 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 질산화에 필요한 산소는 산소가 과잉으로 포함된 공기를 상향류 방식으로 공급하여 접촉시키는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 산소의 공급속도는 0.005~0.2m/s인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계는 슬러지의 침강속도를 크게 하여 그래뉼이 형성되지 않는 슬러지를 선택적으로 반응기에서 배제하는 것을 특징으로 할 수 있고, 침강속도는 10~60m/h인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 고농도의 암모니아가 함유된 폐수는 산업폐수나 슬러지 농축조, 혐기성 소화조 또는 슬러지 탈수장치에서 발생되는 15~37℃의 수온을 갖는 폐수임을 특징으로 할 수 있고, 반응기 내의 암모니아의 농도는 100㎎/ℓ~2000㎎/ℓ이고, pH는 7.0~8.0인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기의 방법에 의해 제조되고, 바깥 부분에는 암모니아 산화균이 분포하며 안쪽에는 아질산 산화균이 분포함을 특징으로 하는 미생물 그래뉼을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 질산화 미생물 그래뉼의 직경은 100~2000㎛이다.

또한 본 발명에 의한 바실러스 미생물의 내생포자 제조방법은 바실러스 미생물을 고농도로 배양한 후 무산소 상태에서 약 7일 가량 방치한다. 이때 활성이 있던 바실러스 미생물은 산소가 없는 상태로 보관되어져 대부분 내생포자를 형성한다. 이때 배양액을 80℃에서 15분 가량 멸균시키면 바실러스 미생물의 내생포자를 제외한 균은 멸균된다. 이렇게 만들어진 바실러스 미생물 내생포자를 담체에 고농도로 고정화한 미생물 고정화 담체의 경우 폐수처리시 바실러스 내생포자는 발육상태로 돌아가 발아하게 되어 다시 활성화 된다. 이후 고농도의 유기물과 질소, 인등의 물질을 안정되게 처리할 수 있고 저장성, 안정성 및 활용성에서 매우 뛰어난 효과를 나타낸다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 미생물 고정화 담체는 다공성의 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리프로필렌(PP), 다공성의 유리, 세라믹, 점토볼 및 제올라이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 다공성 담체와 상기 다공성 담체의 표면에 형성되며, 알지네이트(alginate), 폴리비닐알코올(PVA), 활성탄, 질산화 미생물 그래뉼 및 바실러스 내생포자 미생물을 포함하는 코팅부를 포함한다.

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

본 발명에 따른 오염물 정화기술은 선택적으로 고농도의 바실러스 미생물 및 질산화 미생물을 담체에 높은 농도로 고정화 할 수 있어 매우 뛰어난 처리 효율을 나타내며 암모니아의 산화에 의해 생성되는 아질산이 최종적으로 질산으로 산화되지 않고 아질산의 상태로 탈질될 수 있도록, 암모니아 또는 생성물인 아질산에 의해 아질산산화균의 활성을 저해함으로써, 암모니아를 아질산으로만 산화시키는 암모니아 산화균을 선택적으로 우점화 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼을 형성하는 연속회분식 반응기의 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼을 주사전자현미경으로 관찰한 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 바실러스 활성미생물 및 바실러스 내생포자의 미생물 생장곡선을 나타낸 도이다.
도 4은 본 발명에 따른 바실러스 활성미생물 및 바실러스 내생포자의 미생물 생장을 관학현미경으로 관찰한 도이다.
도 5은 본 발명에 따른 미생물 고정화 담체를 주사전자현미경으로 관찰한 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 미생물 고정화 담체의 유기물 및 질소제거를 나타낸 도이다.

실시예 1: 연속회분식 반응기에서의 질산화 미생물 그래뉼의 형성

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 사용한 연속회분식 반응기는 아크릴 소재의 원형관으로 제작되었으며 반응기 외에 pH 조절기와 암모니아를 함유한 폐수를 주입하는 펌프, 공기공급을 위한 블로워(blower), 그리고 상등액과 그래뉼 배출을 위한 솔레노이드 밸브와 이 반응기의 연속회분식 자동운전을 위한 컴퓨터로 구성되어 있다. 반응기는 높이 200cm, 외경 15cm로 되어 있고, 침전 후 상등액과 그래뉼 배출을 위한 솔레노이드 밸브는 반응기의 중간 높이인 100cm와 반응기 바닥에 각각 설치하였다. 공기량은 조절밸브를 이용하여 0.005~0.2m/s 범위로 조절하였으며, 반응기 내 pH는 7.0~8.0 범위로 일정하게 유지하였다.

질산화 미생물이 포함된 폐수 슬러지를 반응기에 접종하고 암모니아가 함유된 폐수를 반응기에 주입하면서 운전을 시작하였다. 연속회분식 반응기의 운전 순서는 암모니아 폐수 주입, 질산화, 침전, 상등액 배출의 순으로 반복하여 진행되고 경우에 따라 반응기의 그래뉼을 상등액 배출 후 인출할 수도 있다. 유입 폐수의 암모니아 농도는 100mg/ℓ 이상으로 2000mg/ℓ까지 운전 가능하며 암모니아 농도가 그 이상일 경우에는 희석하여 사용할 수도 있다. 암모니아와 더불어 질산화 미생물의 세포구성을 위한 무기탄소원(HCO₃ ^-, CO₃ ^2-)이 필요한데, 상기 무기탄소원으로 NaHCO₃나 Na₂CO₃를 공급하였다. 이들 무기탄소원의 농도는 적어도 500mg/L 정도가 되어야 하고, 여기에 암모니아 농도에 7.13(CaCO₃ 기준)을 곱한 값의 무기탄소원이 더 있어야 질산화에 따라 pH 저하를 막고 세포합성에 필요한 충분한 탄소원을 제공할 수 있다. 그 외 무기물은 다음의 표 2와 같은 조성범위에서 사용하였다.

질산화 미생물 그래뉼을 형성하기 위한 폐수의 조성

성분	농도	성분	농도
CaCl₂2H₂O	7~70 mg/ℓ	NaHPO₄12H₂O	20~200 mg/ℓ
FeCl₃6H₂O	5~50 mg/ℓ	MgSO₄H₂O	5~100 mg/ℓ
KCl	5~50 mg/ℓ	KH₂PO₄	10~100 mg/ℓ

실시예 2 : Bacillus subtilis 내생 포자 시험

Bacillus subtilis는 호기성 조건에서 잘 자리지만 영양분 고갈상태, 불리한 온도와 같이 미생물 생장조건에 맞지 않을 경우 내생포자를 형성한다. 바실러스 미생물이 극한 상황에서 포자를 형성하는 특징은 세포에게 역이나 화학적인 공격에 대한 높은 저항력을 부여한다. 성장에 불리한 극한 상황이 해소되면 바실러스는 발육상태로 돌아가 발아하게 되어 다시 활성화 된다. 이 실험을 통해 바실러스 미생물의 활성상태일 경우와 포자일 경우의 생장차이를 알아본다. 실험은 3가지 조건으로 진행되었다. 첫 번째 조건은 활성미생물을 배지에 접종하였고, 두 번째 조건은 배지에 포자를 형성하기 위하여 미생물배양액을 7일간 상온보관 후 접종하였고, 세 번째 조건은 7일간 상온보관한 미생물배양액의 생균을 멸균시키기 위해 열처리(80℃, 15분)을 추가로 진행하였다. water bath 30℃에서 배양하면서 OD₆₀₀과 개체수를 측정하고 그리고 포자염색을 통해 미생물 생장을 관찰한다.

흡광도 측정 결과, 활성미생물을 접종한 배양액이 다른 두 가지 조건보다 생장속도가 빨랐으며, 열처리한 조건에서는 생장속도가 가장 느렸다. 미생물 개체수에서는 활성미생물과 상온보관한 미생물의 초기 미생물량이 차이가 약간 났지만 미생물의 생장이 증식기를 지나 정체기로 왔을 때는 활성미생물과 상온보관한 미생물의 양이 비슷한 것으로 나타났다. 미생물이 내생포자 상태일 때는 활성상태일 때보다 환경에 적응 하는데 시간이 걸려 초기 생장속도가 느리지만 미생물이 생장하여 정체기에 이르렀을 때 미생물량에는 차이가 없는 것으로 확인되었다.

실시예 3: 선택적 미생물 고정화 담체를 이용한 폐수처리 시험

실험에 사용하는 수처리용 반응기는 가로 40cm, 세로 30cm, 높이 40cm의 아크릴 소재로 조건에 따라 비교 분석이 가능하도록 4대 제작하였다. 반응기 바닥에는 공기가 유입할 수 있도록 2개의 산기관을 설치하고 그 위에 다공판을 놓아 공기의 크기가 일정하도록 하였다. 각 반응기에 들어가는 공기는 에어펌프로 공급하며, air flow meter를 이용하여 일정하게 공급하였다. 폐수는 유기물과 질소가 포함된 합성폐수를 제조하여 사용하였으며 각각 정량펌프에 의해 반응기에 유입되었다. 실험은 10일 동안 합성고분자 담체 내 미생물 고정화 여부에 따른 유기물 및 질소 제거 효율을 진행하였다.

미생물 고정화 담체의 유기물 및 질소의 처리성능을 평가하기 위하여 합성폐수를 사용하였다. 유기물은 glucose(C₆H₁₂O₆)의 형태로 500mg-C/L, 질소는 NH₄Cl의 형태로 200mg-N/L 넣어주었다. 또한 미생물 생장 시 필요한 P는 탄소:질소:인의 비율인 100:5:1을 기준으로 하여 KH₂PO₄ 형태로 넣어주었다.

합성폐수 조성표

componenet	concentration	componenet	concentration
CaCl₂·2H₂O	7 mg/L	NaHPO₄·12H₂O	29 mg/L
FeCl₂·6H₂O	1 mg/L	NaHCO₃	7.13g/g NH4+-N
KCl	7 mg/L	NH₄Cl	200 mg-N/L
KH₂PO₄	60 mg/L	C₆H₁₂O₆	500 mg-C/L
MgSO₄·H₂O	5 mg/L

합성고분자 담체의 미생물 고정화 여부에 따른 유기물 및 질소의 제거율은 아래와 같이 나타났다. 미생물을 고정한 담체를 사용하여 오염물질을 제거한 경우 COD는 최대 91.5%, TN은 최대 55.9%가 제거된 반면 미생물을 고정하지 않고 직접 폐수에 접종한 후 고정화 담체와 같은 양의 담체를 사용한 경우 COD는 최대 78.5%, TN은 최대 20.5%가 제거되었다. 또한 초기 오염물질 제거율이 미생물을 고정한 담체가 더 높은 것으로 보아 미생물을 고정한 담체에서 빠르게 매생물의 안정화되고 높은 제거능을 보이는 것으로 판단된다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 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.

Claims

폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리프로필렌(PP), 다공성의 유리, 세라믹, 점토볼 및 제올라이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 다공성 담체와
상기 다공성 담체의 표면에 형성되며, 알지네이트(alginate), 폴리비닐알코올(PVA), 활성탄, 질산화 미생물 그래뉼 및 바실러스 내생포자 미생물을 포함하는 코팅부를 포함하며,
상기 바실러스 내생포자 미생물은 바실러스 미생물을 고농도로 배양한 후 무산소 상태에서 7일 가량 방치하여,
활성 상태의 바실러스 미생물이 산소가 없는 상태로 보관되어져 바실러스 내생포자를 형성하고,
바실러스 내생포자를 형성한 후, 배양액을 80℃에서 15분 가량 멸균시켜 바실러스 내생포자를 제외한 균을 멸균시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 선택적 미생물 고정화 담체.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 질산화 미생물 그래뉼은,
(a) 배양기질로 고농도의 암모니아가 함유된 폐수를 질산화 미생물이 포함된 생물반응기에 연속회분 방식으로 주입하는 단계;
(b) 연속회분식 반응기로 질산화에 필요한 산소를 공급하면서 질산화 미생물의 그래뉼을 형성시키는 단계;
(c) 산소공급을 중단하여 반응기 혼합을 중지시킨 다음, 형성된 질산화 미생물 그래뉼은 침강시키고, 그래뉼 형성이 되지 않은 슬러지는 배출하는 단계; 및
(d) 침강된 질산화 미생물 그래뉼을 인출하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 선택적 미생물 고정화 담체.
삭제
삭제