KR101996065B1

KR101996065B1 - 미세조류와 탈질세균의 공배양을 이용한 질소제거 장치 및 이를 이용한 질소제거 방법

Info

Publication number: KR101996065B1
Application number: KR1020190014919A
Authority: KR
Inventors: 강동한; 정일호; 장영호; 이수문; 김태화; 오민영; 최시림; 윤미혜; 윤용준; 황호재; 송철우
Original assignee: 경기도; 주식회사 부강테크
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2019-10-17

Abstract

본 발명은 (i) 질산화세균을 포함하고, 하폐수의 질산화반응이 수행되는 질산화부; 및 (ii) 미세조류와 탈질세균을 포함하고, 상기 질산화부에서 질산화처리된 하폐수가 유입되고, 상기 질산화처리된 하폐수의 탈질이 수행되는 광합성 탈질부를 포함하고, 여기서, 광합성 탈질부는 명조건에서는 미세조류의 광합성 반응에 의해 산소가 생산되고, 암조건에서는 미세조류와 탈질세균에 의하여 탈질반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 하폐수에서의 질소제거 장치 및 이를 이용한 질소제거 방법에 관한 것으로, 기존에 사용되는 하폐수 질소제거 장치보다 산소주입비용이 절감되며, 유기물을 첨가하지 않아도 높은 효율로 질소를 제거할 수 있다.

Description

미세조류와 탈질세균의 공배양을 이용한 질소제거 장치 및 이를 이용한 질소제거 방법{Apparatus for Nitrogen Removing Using Co-culture of Microalgae and Denitrifying Bacteria and Method for Nitrogen Removing Using the Same}

본 발명은 미세조류와 탈질세균의 공배양을 통해 하폐수에 함유된 질소를 효율적으로 제거하는 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 (i) 질산화세균을 포함하고, 하폐수의 질산화반응이 수행되는 질산화부; 및 (ii) 미세조류와 탈질세균을 포함하고, 상기 질산화부에서 질산화처리된 하폐수가 유입되고, 상기 질산화처리된 하폐수의 탈질이 수행되는 광합성 탈질부를 포함하고, 여기서, 광합성 탈질부는 명조건에서는 미세조류의 광합성 반응에 의해 산소가 생산되고, 암조건에서는 미세조류와 탈질세균에 의하여 탈질반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 하폐수에서의 질소제거 장치 및 이를 이용한 질소제거 방법에 관한 것이다.

하수에는 탄소화합물, 질소화합물, 인화합물 등 다양한 오염물질이 포함되어 있으며, 현재 보편적으로 사용되고 있는 활성슬러지 공정은 산소를 주입하여 탄소, 질소, 인을 산화된 형태로 전환하여 하수에서 제거하는 공정을 기본으로 하고 있다. 특히, 탄소 및 질소 산화 공정에서는 다량의 산소가 필요하므로 송풍장치 설치 및 운전에 많은 비용과 에너지가 사용된다. 또한 단백질, 암모니아 등 환원상태로 존재하는 질소화합물이 산화되더라도 여전히 하수에서 이온상태로 남아있기 때문에 추가적인 공정으로 제거하여야 한다.

기존의 질소제거 방법에서, 암모니아성 질소는 아질산성 질소, 질산성 질소로 산화된 후 종속영양 탈질 박테리아에 의해 산화질소, 일산화이질소, 질소 가스 형태로 환원되어 제거된다. 암모니아성 질소의 아질산성 질소로의 산화 과정에서는 Nitrosomonas(e.g. N. europaea, N. Oligocarbogenes), Nitrosococcus, Nitrosopira, Nitrosolobus 등의 AOB(Ammonia Oxidation Bacteria)가 관여하고, 아질산성 질소의 질산성 질소로의 산화 과정에는 Nitrobacter(e.g. N. agilis, N. winogradski), Nitrosopira, Nitrococcus 등의 NOB(Nitrite Oxidation Bacteria)가 관여한다.

생물학적 탈질 반응은 질산성 질소, 아질산성 질소가 전자 수용체로 이용되어 질소(N₂)가스로 전환되는 과정이다. 생물학적 질산염 환원과정은 동화적 질산염 환원과정과 이화적 질산염 환원과정으로 구분할 수 있다. 활성슬러지 공정에서는 이화적 질산염 환원반응에 의해 대부분의 질소가 제거된다.

이화적 질산염 환원은 최종 전자 수용체로 산소 대신 질산성 질소 또는 아질산성 질소를 사용하는 것으로서 무산소성 호흡, 탈질 반응이라 한다. 탈질 반응을 수행하는 대부분의 미생물은 질산성 질소, 아질산성 질소 및 용존 산소를 동시에 전자 수용체로 이용할 수 있다. 호기성 호흡에서는 1 mole의 포도당 산화시 무산소성 호흡에 비해 116 kcal의 에너지를 더 생산할 수 있으므로 용존산소가 존재하는 호기성 조건에서는 무산소성 호흡은 제한적으로 일어난다. 하수 처리에 주로 이용되는 탈질 박테리아는 Pseudomonas sp., Bacillus sp., Spirillum sp., Agrobacterium sp., Acinetobacter sp., Propionobacterium sp., Rhizobium sp., Thibacillus sp., Alcaligenes sp. 등이 있다.

최근 미세조류를 하수처리에 적용함으로써 에너지 소비량을 절감하고 생산된 바이오매스를 활용하고자 하는 다양한 방법이 개발되고 있다. 독립영양 미세조류는 빛, 이산화탄소, 영양물질, 미량영양소 및 물이 있는 조건에서 성장한다. 또한 pH, 수온, 포식자 등에 의해 성장이 제한되거나 영향을 받는다. 하수는 비교적 풍부한 영양물질이 존재하고 수온 변화가 크지 않아 미세조류의 생육이 원활할 것으로 기대되나 탁도에 의한 빛 투과도 감소는 광합성 활동을 제한할 수 있다.

일반적으로 바이오연료로 활용하기 위해 미세조류를 이용할 경우 수확에 소요되는 비용이 20~30%를 차지한다. 이렇게 소요되는 수확 비용을 절감하기 위한 다양한 연구가 행해지고 있다. Zhang & Hu는 미세조류와 사상성 곰팡이를 공배양하여 세포의 팰릿화를 형성함으로써 침강성을 개선하는 연구를 진행하였다(Zhang & Hu, Bioresour Technol. 114, 529-535, 2012). Chlorella vulgaris와 활성슬러지를 영양물질이 결핍된 조건에서 공배양할 때, 침강성과 지질 함량이 향상된다(Liu 등 Bioengineering, 3(4), 412-424, 2016). 조류와 박테리아 공배양 시스템을 이용한 하수처리에서 HRT는 조류의 성장속도에 영향을 미치고 F/M(food to microorganism ratio)은 바이오플럭의 안정성과 조류의 종류와 관련성이 높다(Medina & Neis Water Sci Technol, 55(11), 165-171, 2007).

특히, 조류는 빛을 에너지원으로 이용하여 이산화탄소를 섭취하고 산소를 발생시키므로 하수처리 공정에 필요한 산소를 공급하는 효과가 있다. 그러나, 미세조류는 광량과 빛 투과도, 수온, 공존 박테리아, 원생동물 등에 의해 그 활동이 제약되기 때문에 적용에 한계성이 있다.

이에, 본 발명자들은 하폐수 처리에 있어서, 질소제거에 미세조류를 효율적으로 이용할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 질산화세균을 포함하고 질산화반응이 수행되는 질산화부와 미세조류와 탈질세균을 포함하고 상기 질산화부에서 질산화된 질산이 유입되는 광합성-탈질부를 포함하는 하폐수 처리장치를 이용하는 경우, 광반응 시에는 미세조류에 의하여 산소가 생산되고, 암반응 시에는 탈질반응이 진행되어 효과적으로 질소를 제거할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 미세조류와 탈질세균의 공배양을 통해 하폐수에 함유된 질소를 효율적으로 제거하는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 미세조류와 탈질세균의 공배양을 통해 하폐수에 함유된 질소를 효율적으로 제거하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) 질산화세균을 포함하고, 하폐수의 질산화반응이 수행되는 질산화부; 및 (ii) 미세조류와 탈질세균을 포함하고, 상기 질산화부에서 질산화처리된 하폐수의 탈질이 수행되는 광합성 탈질부:를포함하는 하폐수에서의 질소제거 장치로,

상기 광합성 탈질부는 명조건에서는 미세조류의 광합성 반응에 의해 산소가 생산되고, 암조건에서는 미세조류와 탈질세균에 의하여 탈질반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 질소제거 장치를 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 암모니아 함유 하폐수의 암모니아를 질산화 세균을 이용하여 질산화시키는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 질산화된 하폐수를 미세조류 및 탈질세균을 이용하여탈질시키는 단계를 포함하는 하폐수에서의 질소제거 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 기존에 사용되는 하폐수 질소제거 장치보다 산소주입비용이 절감되며, 유기물을 첨가하지 않아도 높은 효율로 질소를 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 조류 광합성-탈질부와 질산화부를 포함하는 질소제거 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 장치에서 미세조류에 의한 명조건 광합성 반응(A)과 암조건 탈질반응(B)을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 장치의 광합성 탈질부의 명조건에서의 산소발생 반응을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 장치의 광합성 탈질부의 암조건에서의 탈질반응을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 장치의 광합성 탈질부의 SAS(shallow algar system)과 수차의 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 장치의 광합성 탈질부의 SAS에 서식하는 미생물의 서식형태를 나타낸 것이다.
도 7은 A²O 공정 슬러지와 본 발명에 따른 장치를 이용하여 SAS로 운전되는 미세조류-탈질박테리아 혼합배양 슬러지를 암조건에서 탈질반응을 수행한 결과를 나탠 것이다.
도 8은 본 발명의 장치에서 질산성질소를 이용하여 미세조류가 광합성 반응에 의하여 산소를 생산하는 것을 확인한 결과를 나타낸 것이다.

본 발명에서는 하폐수 중에 존재하는 질소화합물을 미세조류와 탈질세균의 공배양을 통하여 제거할 수 있는 장치를 개발하고자 하였다. 즉, 빛이 있는 명(明)조건에서는 미세조류의 광합성을 통해 산소를 공급하여 환원성 질소의 질산화반응을 유도하고, 빛이 없는 암(暗)조건에서는 미세조류에서 기인된 유기물을 활용한 탈질반응을 통해 질소화합물을 효율적으로 제거하고자 하는 것이다.

이를 위해 암조건일 때 기계장치를 이용하여 인위적 산소 공급이 이루어지는 ‘질산화부(질소화합물 산화부)와 미세조류의 성장과 탈질반응으로 질소를 제거하는 '광합성 탈질부'를 분리하여 명조건에서는 광합성으로 산소가 생성되면서 질산성 질소가 미세조류의 광합성으로 섭취되어 제거되고, 암조건에서는 미세조류에서 생성된 유기물질에 의해 탈질반응이 일어나도록 함으로써 질소화합물 제거가 효율적으로 이루어지도록 장치를 구성하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (i) 질산화세균을 포함하고, 하폐수의 질산화반응이 수행되는 질산화부; 및 (ii) 미세조류와 탈질세균을 포함하고, 상기 질산화부에서 질산화처리된 하폐수의 탈질이 수행되는 광합성 탈질부:를포함하는 하폐수에서의 질소제거 장치로,

상기 광합성 탈질부는 명조건에서는 미세조류의 광합성 반응에 의해 산소가 생산되고, 암조건에서는 미세조류와 탈질세균에 의하여 탈질반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 질소제거 장치에 관한 것이다(도 1).

본 발명에 있어서, 상기 광합성 탈질부의 미세조류와 탈질세균은 SAS(미세조류의 얕은 흐름: Shallow Algal Stream)으로 운전되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 광합성 탈질부는 수차에 의하여 유속이 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 SAS는 얕은 수심의 인공 수로로서 표면에 조류가 부착하여 성장하는 인공 하천을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 광합성 탈질부는 상기 질산화부의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하고, 상기 광합성 탈질부는 상층부에 설치된 데크를 통하여 SAS 운전을 수행하고, 상기 데크는 부직포, PP(Poly propylene), PE(Poly ethylene), PET(Poly ethylene terephthalate) 및 PS(Poly stylene)으로 구성된 군에서 선택되는 재질로 구성된 거친 표면을 가지는 것을 특징으로 할 수 있으며, 이러한 거친 표면은 미세조류와 탈질세균의 부착율을 높이는 효과가 있다.

본 발명의 장치는 미세조류에 의하여 발생되는 산소의 양이 부족할 경우, 추가적으로 산소를 주입할 수 있는 송풍장치 또는 산기장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명 공정은 유기물을 제거하는 기술(ex, 화학적 응집·침전, 가압부상, 고율 활성슬러지공법, 탈질여과공법 등)이 전처리 공정으로 결합되면 종속영양 박테리아의 우점화에 따른 빛 가림을 방지하여 조류의 광합성을 향상시킬 수 있으므로 권장된다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 광합성-탈질부에 설치되는 수차는 SAS(깊이가 얕은 조류 흐름;Shallow Algal Stream)과 접하도록 설치되며, 회전축을 중심으로 다수의 회전날개가 부착된다. 수차의 회전날개가 질산화부에 잠기는 깊이는 5~25cm, 수차의 회전 속도는 30~100rpm, 재질은 STS(Stainless steel), FRP, 알루미늄 합금, PP 등 수밀성과 내구성이 있는 것으로 한다. 수차는 회전력을 갖기 위해 외부로부터 동력을 공급해야하며 회전축의 회전속도를 제어하는 제어부가 장착될 수 있다.

도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 SAS는 광합성부의 수면보다 높게 설치되어야 하며, 완만한 경사(0.2~1.0%)를 유지하여 SAS 표면에서의 유속을 0.5~0.4m/초로 확보할 수 있도록 한다. 이 때 물의 흐름은 수차의 회전날개의 회전력에 의해 간헐적으로 형성되며, 표면에 부착된 조류에게 전단력을 부여하여 부착조류의 우점화를 유도한다. 특히, SAS에 부착성장하는 조류는 빛의 강도에 따라 우점화되는 미생물은 도 6에서와 같이 빛이 강한 최상부는 남조류, 빛이 약한 최하부는 규조류, 그 중간층은 녹조류가 우점화되며 탈질박테리아(세균)는 모든 조류와 공동으로 서식하는 구조를 갖는다. 이러한 수직적 조류의 부착구조는 계절에 따라 변화되며, 여름에는 남조류, 겨울에는 규조류가 우점화되면서 빛과 수온에 따른 생태적 변화를 갖는다.

본 발명의 광합성 탈질부에서 일어나는 반응을 도 3 및 도 4에 나타내었다.

본 발명의 광합성 탈질부의 SAS에는 조류와 탈질박테리아가 공배양되며 빛이 있는 명조건에서는 조류에 의한 광합성으로 산소가 생산되고, 빛이 없는 암조건에서는 조류와 탈질박테리아에 의한 호흡으로 산소가 고갈되어 무산소 조건이 형성된다(도 3 및 도 4). 이때, 탈질박테리아는 무산소성 호흡, 즉 탈질 반응을 하는데 질산성질소를 질소가스로 환원하여 생체활동에 필요한 에너지를 얻는다. 이러한 탈질반응에는 탄소원이 필요하며, 탈질박테리아의 세포 내에 축적된 유기물을 이용하거나 조류에서 분비된 유기물을 이용할 수 있다. 조류는 사멸과정, 생체 흡착, 조류 분비물 등을 통해 유기물을 배출하며, 이들 유기물은 본 발명의 실시예에 기재된 바와 같이 탈질 공정의 탄소원으로 이용될 수 있다.

본 발명에서는 조류에 의해 수중에 공급된 유기물을 암조건에서 탈질 반응의 탄소원으로서 사용하는 효과를 검증하였으며 실시예와 같이 약 30.3%의 탄소원 절감효과가 나타났다. 아래 수식은 조류-박테리아 공배양 공정과 박테리아 단독공정에서 탈질반응이 일어나는 현상을 비교하여 나타낸 것이다.

<공배양 공정>

조류 유기물 + (C₅H₇NO₂)n + 5nO₂ → 5nCO₂ + 2nH₂O+nNH₃ + 에너지

<박테리아 공정>

(C₅H₇NO₂)n + 5nO₂ → 5nCO₂ + 2nH₂O+nNH₃ + 에너지

다른 관점에서, 본 발명은 (a) 암모니아 함유 하폐수의 암모니아를 질산화 세균을 이용하여 질산화시키는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 질산화된 하폐수를 미세조류 및 탈질세균을 이용하여탈질시키는 단계를 포함하는 하폐수에서의 질소제거 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 미세조류 및 탈질세균은 SAS(미세조류의 얕은 흐름: Shallow Algal Stream)으로 운전되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 SAS의 유속은 수차에 의하여 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

질소제거

일반적인 질소제거 과정에서, 암모니아성 질소는 아질산성 질소, 질산성 질소로 산화된 후 종속영양 탈질 박테리아에 의해 산화질소, 일산화이질소, 질소 가스 형태로 환원되어 하수에서 제거된다. 암모니아성 질소의 아질산성 질소로의 산화 과정에서는 Nitrosomonas(e.g. N. europaea, N. Oligocarbogenes), Nitrosococcus, Nitrosopira, Nitrosolobus 등의 AOB(Ammonia Oxidation Bacteria)가 관여되고, 아질산성 질소의 질산성 질소로의 산화 과정에는 Nitrobacter(e.g. N. agilis, N. winogradski), Nitrosopira, Nitrococcus 등의 NOB(Nitrite Oxidation Bacteria)가 관여한다.

질산화

암모니아성 질소의 질산화 반응은 제1단계와 제2단계 반응으로 구분할 수 있다.

제1단계는 질산화 식(1)과 같이 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화하는 과정이며 암모니아성 질소 1mole의 산화반응에서 58~84kcal의 에너지가 생성된다.

15CO₂ + 13NH₄ ⁺ → 10NO ₂ ^- + 3C₅H₇O₂N + 23H⁺ + 4H₂O (1)

제2단계는 질산화 식 (2)와 같이 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화하는 과정이다. 이 때 아질산성 질소 1 mole 당 15.4~20.9 kcal의 에너지가 생성되는 것으로 알려져 있다.

5CO₂ + NH₄ ⁺ + 10NO₂ ^- + 2H₂O → 10NO₃- + C₅H₇O₂N + H⁺ (2)

탈질화

NO₃ ^- → NO₂ ^- → NO → N₂O → N₂ (3)

탈질 반응의 화학 양론은 탄소원과 질소 형태에 따라 매우 다양하며, 탄소원으로 메탄올이 사용되었을 때는 식 (4)와 같은 화학반응이 진행된다.

6 NO₃ ^--N + 5 CH₃OH → 3 N₂ + 5 CO₂ + 7 H₂O + 6 OH^- (4)

반면 하수가 탄소원으로 이용될 경우는 식 (5)과 같은 반응이 진행된다.

10 NO₃ ^--N + C₁₀H₁₉O₃H → 5 N₂ + 10 CO₂ + 3 H₂O + NH₃ + 10 OH^- (5)

이화학적 탈질 반응에서는 1mg NO₃ ^--N 환원시 3.57mg as CaCO₃의 알칼리도가 생성되며 2.86mg/L의 BOD가 소비되므로 탄소원이 부족한 경우에는 외부에서 인위적으로 공급해야한다.

미세조류의 광합성

독립영양 미세조류는 빛, 이산화탄소, 영양물질, 미량영양소 및 물이 있는 조건에서 성장한다. 또한, pH, 수온, 포식자 등에 의해 성장이 제한되거나 영향을 받는다. 하수는 비교적 풍부한 영양물질이 존재하고 수온 변화가 크지 않아 미세조류의 생육이 원활할 것으로 기대되나 탁도에 의한 빛 투과도 감소는 광합성 활동을 제한할 수 있다.

일반적으로 바이오연료로 활용하기 위해 미세조류를 이용할 경우 수확에 소요되는 비용이 20~30%를 차지한다. 이렇게 소요되는 수확 비용을 절감하기 위한 다양한 연구가 행해지고 있다. Zhang & Hu는 미세조류와 사상성 곰팡이를 공배양하여 세포의 팰릿화를 형성함으로써 침강성을 개선하는 연구를 진행하였다(Zhang & Hu Bioresour Technol. 114, 529-535,, 2012). 미세조류인 Chlorella vulgaris와 활성슬러지를 영양물질이 결핍된 조건에서 공배양할 때, 침강성과 지질함량이 향상된다(Liu 등 Bioengineering, 3(4), 412-424, 2016). 조류와 박테리아 공배양 시스템을 이용한 하수처리에서 HRT는 조류의 성장속도에 영향을 미치고 F/M(food to microorganism ratio)은 바이오플럭의 안정성과 조류의 종류와 관련성이 높다(Medina & Neis, Water Sci Technol, 55(11), 165-171, 2007).

미세조류의 광합성은 빛이 있는 조건에서 통상 아래의 화학반응에 의해 진행된다. 박테리아와 달리 미세조류는 암모니아 형태와 질산성질소 형태의 질소를 모두 기질로 이용할 수 있으므로 암모니아가 부족할 경우 질산성질소를 광합성 반응에 이용함으로써 질소를 더욱 제거할 수 있다(도 2).

16NH ₄ ⁺ + 92CO₂ + 92H₂O + 14HCO₃ ^- + HPO₄ ^2- → C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P + 106O₂

16NO ₃ ^- + 124CO₂ + 140H₂O + HPO₄ ^2- → C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P + 138O₂ + 18HCO₃ ^-

미세조류는 부유 및 부착 형태로 성장할 수 있으며, 부착성장의 경우 성장속도가 빠르고 수확이 용이한 장점이 있다. 본 발명에서는 미세조류의 부착성장을 유도하기 위해 수표면에 데크를 설치하고 데크에서의 표면 흐름을 유도하기 위한 수차를 가동하는 장치를 구비하였다. 수차의 회전력은 데크 표면에서 수류의 전단력을 유도함으로써 조류의 부착력을 증진시키고 데크 하부에서는 질산화 미생물과 산소와의 접촉력을 증진시키게 된다.

이러한 수표면 데크를 통한 조류 성장 공간과 질산화 미생물 서식 공간의 구분은 조류의 성장을 촉진할 뿐만 아니라 그 하부로 빛이 통과하지 못하게 하여 질산화 박테리아 성장에 대한 빛 저해를 방지하여 오염물질 제거에 소요되는 시간을 단축할 수 있게 된다.

한편, 종래 미세조류를 이용한 암모니아 제거방법으로는 부착성장 조류의 광합성에 의하여 생성된 산소를 이용하여 질산화반응으로 암모니아를 제거하는 방법 및 장치(한국공개특허 2016-0068547)에 대한 기술이 있으며, 조류의 광합성에 의해 생성된 산소를 질산화반응에 이용하는 것을 특징으로 한다. 특히, 부착성장 조류를 배양하는 관점에서 본 발명과 유사성이 있으나, 본 발명은 명 조건에서 조류의 광합성이 이루어지고 암 조건에서 탈질반응이 일어난다는 점에서 상기 기술과 차이가 있다. 한국공개특허 2016-0068547은 수조의 모든 질소형태가 질산성 질소로 구성되나 본 발명은 암 조건에서 광합성-탈질부에서는 질산성질소가 탈질반응으로 제거되고 용존산소가 없다는 것에서 그 기작이 확연히 다르다.

또한, 종래 알려진 광합성이 가능한 미세조류 배양부와 빛 투과도를 감소시킨 질산화미생물을 포함하는 담체가 충진된 질산화반응조로 구성되어 있는 하폐수처리 장치로서 미세조류를 이용한 하수처리에 관한 기술(한국등록특허 제10-1743653)은 조류배양부와 질산화부가 동일 수조에 위치하여 용존산소, 질산성질소의 농도가 동일하게 유지되며, 질산화 반응을 위해 항상 용존산소가 높은 상태로 유지되어야 한다. 그러나 본 발명은 광합성부가 질산화수조와 완전히 분리되어 있을 뿐만아니라 빛이 없는 조건에서는 탈질반응이 일어나고 용존산소가 없는 무산소상태로 운전되므로, 상기 기술과는 구성과 공정이 확연히 차별된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 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: 미세조류와 탈질박테리아의 공배양에 의한 틸질효율 증진 확인

본 발명의 질소제거 장치를 이용하여, 미세조류에 의한 질산성질소의 탈질효과를 확인하기 위하여, 활성슬러지의 내생호흡과 SAS(Shallow Algal Stream)에 부착된 미세조류-탈질박테리아 혼합배양 바이오매스의 내생호흡을 비교하였다.

즉, A²O 공정 슬러지와 SAS로 운전되는 미세조류-탈질박테리아 혼합배양 슬러지를 빛이 없는 조건에서 유효용량 3L의 아크릴 수조에 각각 1,000 mg MLSS/L 농도로 주입하고 NO₃-N 농도 20 mg N/L에서 150rpm의 속도로 교반을 실시하며 매시간 NO₃-N 농도를 측정하였다.

그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 활성슬러지(AS)에 비해 71.1% 높은 탈질효율을 나타내었다. 반면, 종속영양 탈질 반응이 진행될 때, 탄소원의 절감효과에 대한 실험을 별도로 실시하였으며 표 1에 나타난 바와 같이 외부탄소원으로 에탄올을 주입한 경우, 활성슬러지 공법에 비해 SAS 공법에서 30.3%의 탄소 절감효과가 나타났다.

	탈질율 (mg N/g·MLSS·hr)	BOD 소비량 (mg/L)	소비 BOD/탈질 N
SAS	6.2	194.4	3.9
AS	3.5	160.2	5.6

실시예 2: 미세조류의 광합성에 의한 산소 생산확인

본 발명의 질소제거 장치를 이용하여 미세조류의 산소생산성을 본 확인하였다.

55rpm의 속도로 회전하는 수차에 의해 전단력이 가해지는 SAS가 상부에 설치되고 하부에는 HBC 여재가 포설되어 질산화 반응이 이루어지는 공정의 미세조류-박테리아 슬러지를 채취하여 질산화반응이 종료된 하수처리수를 500mg SS/L의 농도로 희석한 후 백색 LED를 500㎛/㎡/s의 광량으로 조사하며 생산되는 산소의 농도를 5분 단위로 측정하였다.

그 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 실험 1시간 동안 10.32mg DO/L의 용존산소 생산속도를 나타내었으며, 본 발명의 질소제거 장치에 부착된 미세조류가 질산성질소를 기질로 이용하여 효율적으로 광합성을 수행하여 산소를 생산할 수 있는 것을 확인하였다.

실시예 3: 수차의 전단력에 의한 미세조류 부착 효과 확인

본 발명의 질소제거 장치에서 광합성 탈질부에서 수차의 회전에 의해 SAS의 유속을 변화시키는 것과 일정한 유속으로 수류를 유지하는 것의 미세조류 부착량을 비교하는 실험을 실시하였다.

25톤/일의 하수를 처리할 수 있는 파일럿 반응조를 각각 설치하고 하나의 수조는 55rpm의 속도로 회전하는 수차를 설치하여 유속의 주기적 변화를 유도하고 다른 하나는 일정한 유속을 유지하며 부착된 조류량을 측정하였다. 두 개의 반응조의 평균 유속은 동일하게 하였으며 부착된 미세조류량을 산정하기 위해 chlorophyll a농도를 측정하였다.

그 결과, 수차를 설치한 반응조의 chlorophyll a 생산량이 일정한 유속을 유지한 것에 비해 5.0배 높았으며, 이는 조류의 생산량뿐만 아니라 산소 생산량도 그 만큼 많다는 것을 의미하는 것이므로 수차의 회전에 의한 SAS 표면에서의 전단력 형성이 조류의 부착량 증가와 산소 공급에 매우 효율적임을 알 수 있다.

부착조류 생성량

	수차(55rpm)	펌프이용
chl-a(g/m²)	1.125	0.225

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 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.

Claims

(i) 질산화세균을 포함하고, 유기물 및 입자가 제거된 하폐수가 유입되어 질산화반응이 수행되는 질산화부; 및
(ii) 상기 질산화부의 상부에 질산화부의 처리수의 수표면에 설치되어 있는 부착성 재질의 데크에 미세조류와 탈질세균이 부착되어 있고, 상기 질산화부에서 질산화처리된 처리수의 탈질이 수행되고, 수차에 의하여 상기 질산화부에서 질산화된 처리수가 상기 데크로 이동되는 광합성 탈질부:를 포함하는 하폐수에서의 질소제거 장치로,
상기 광합성 탈질부는 명조건에서는 미세조류의 광합성 반응에 의해 산소가 생산되고, 암조건에서는 미세조류와 탈질세균에 의하여 탈질반응이 수행되고, 상기 미세조류와 탈질세균은 상기 질산화부로 혼입되지 않는 것을 특징으로 하는 질소제거 장치.
제1항에 있어서, 상기 광합성 탈질부의 미세조류와 탈질세균은 SAS(미세조류의 얕은 흐름: Shallow Algal Stream)으로 운전되는 것을 특징으로 하는 장치.
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제1항에 있어서, 상기 광합성 탈질부는 부직포, PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), PET(Polyethyleneterephthalate) 및 PS(Polystylene)으로 구성된 군에서 선택되는 부착성 재질로 구성된 거친 표면을 가지는 데크를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 광합성 탈질부는 수차에 의하여 유속이 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 송풍장치 또는 산기장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
다음 단계를 포함하는 하폐수에서의 질소제거 방법:
(a) 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 장치를 이용하여, 질소화합물 함유 하폐수를 질산화 세균을 이용하여 질산화시키는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 질산화된 하폐수를 상기 미세조류 및 탈질세균을 이용하여탈질시키는 단계.
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