KR102062431B1 - 조류 - 아질산화 - 혐기성 암모늄 산화를 융합한 하수 내 질소 처리용 담체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혐기성 암모늄 산화 반응을 통해 질소를 제거할 수 있는 아나목스 코어 및 조류의 광합성 반응을 통해 발생하는 산소를 이용해 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키는 이중층 구조의 쉘을 포함하는 하수 내 질소 처리용 담체가 제공된다. 혐기성 암모늄 산화반응에 필요한 아질산성 질소는 암모늄 산화균에 의해 공급되고, 암모늄 산화균의 아질산화 반응에 필요한 산소는 조류의 광합성에 의해 공급되므로 친환경적으로 하수처리가 가능하다.

Description

조류 - 아질산화 - 혐기성 암모늄 산화를 융합한 하수 내 질소 처리용 담체 {A CARRIER OF ALGAL-AMMONIUM OXIDIZING BACTERIA-ANAEROBIC AMMONIUM OXIDATION FOR NITROGEN TREATMENT IN WASTEWATER}

본 발명은 조류의 광합성 반응을 통해 발생하는 산소를 이용해 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시킨 후 혐기성 암모늄 산화 반응을 통해 질소를 제거하는 하수 내 질소 처리용 담체에 관한 것이다.

하·폐수 내에 존재하는 질소는 단백질, 펩타이드, 아미노산 등의 유기성 질소와 그의 산화 환원 상태에 따라 암모니아성 질소, 아질산성 질소 및 질산성 질소 등의 무기성 질소로 구분되며, 공장폐수, 음식물, 소화슬러지 탈리액, 침출수, 가축 분뇨, 가정하수 등과 같이 발생원이 매우 다양하다. 질소를 포함하는 영양염류 물질은 최근 큰 문제로 지적되는 수질의 부영양화를 일으키는 대표적인 물질이기도 하다. 이와 같이, 질소를 함유하는 하·폐수는 수중 생태계에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 건강 및 생활환경에도 위해가 될 수 있기 때문에 다양한 질소제거 방안이 연구되고 있다.

하수처리장에서 질소를 제거하기 위해서는 약품을 투입하여 질소를 제거하는 물리화학적인 방법 및 미생물을 이용한 생물학적 질소 제거 공정을 주로 이용한다. 폐수에 포함된 질소 농도가 저농도일 경우 이온 교환법이나 염소, 오존에 의한 산화법을 사용할 수 있다. 그러나, 물리화학적인 방법의 경우, 투입된 약품으로 인한 2차적인 수질 오염이 발생할 수 있어, 최근에는 생물학적 질소 제거 공정을 이용하는 추세이다.

폐수의 질소 농도가 고농도일 경우 생물학적 공정이 효율적이고, 생물학적 공정의 예로 소화세균에 의하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소나 질산성 질소로 산화시키고, 메탄올 등의 전자 공여체를 첨가하여 탈질 세균에 의해 아질산성 질소나 질산성 질소를 질소 가스로 환원시켜 폐수로부터 질소를 제거하는 방법이 알려져 있다.

이러한 방법은 암모니아성 질소를 질소 가스로 산화시키기 위해 필요한 산화력보다 과잉의 산소를 필요로 하기 때문에 미생물에 공급하기 위한 과량의 산소 요구로 폐수 처리에 요구되는 에너지 측면에서 고비용의 원인이 된다. 또한, 탈질 반응을 위해 전자 공여체로서 메탄올 등의 유기물을 첨가하기 위한 비용이 소요되고, 이러한 유기물을 섭취하고 증식한 탈질 세균이 잉여 오니가 되기 때문에 폐기물 처리 비용 문제도 발생한다. 특히, 질산성 질소는 아질산성 질소에 비해 산화 상태에 있기 때문에 산소 공급 비용이 더욱 늘어나고, 또한 이를 환원시키기 위한 전자 공여체도 보다 많이 필요하며, 발생하는 잉여 오니 역시 증가하게 된다.

이에, 최근 무산소 조건하에서 암모니아성 질소를 전자 공여체로, 아질산성 질소를 전자 수용체로서 두 성분을 반응시키고 질소 가스를 생성시킬 수 있는 독립영양성 탈질 미생물을 이용한 탈질 방법이 제시되고 있다. 이러한 탈질 반응은 혐기성 암모니아 산화(anaerobic ammonium oxidation; ANAMMOX) 반응(이하, '아나목스 반응'이라 한다.)이라 칭하며, 이용되는 독립영양성 탈질 미생물은 아나목스(ANNAMOX) 세균이라 칭하기도 한다. 아나목스 반응을 이용한 탈질 방법에 의하면, 아질산성 질소가 갖는 산화력을 이용하여 암모니아성 질소를 산화시켜 에너지를 절약할 수 있고, 별도의 산소공급이나 메탄올 등의 유기물을 첨가할 필요가 없기 때문에 그에 따른 비용도 절감할 수 있다.

아나목스 반응이 원활하게 진행되기 위해서는 암모니아성 질소 및 아질산성 질소가 안정적으로 공급되어야 한다. 아질산성 질소는 질산화(Nitrification)의 중간단계로, 자연적인 상태에서는 아질산성 질소의 형태로 존재하기 어렵기 때문에 운전자에 의한 인위적 조작을 통해 아질산 산화균 (Nitrite oxidizing bacteria)의 활성을 억제하거나, 개체수를 조절하여 아질산성 질소를 공급하는 방법이 있다. 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키는 것을 아질산화 반응(Nitritation)이라 하며, 아질산화 반응은 pH, 암모니아성 질소의 농도, 아질산성 질소의 농도, 체류시간 및 유기물 등 다양한 인자의 영향을 받는다. 하수처리장 유입 하수 내 질소는 대부분 암모니아성 질소의 형태로 존재하기 때문에 혐기성 암모늄 산화반응을 위해서는 별도의 아질산성 질소의 공급이 필요하다. 인위적으로 아질산성 질소를 주입하는 방안을 고려할 수 있으나, 이는 장기적인 하수처리장 운영 측면에서 효율적이지 않고, 경제성이 떨어진다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 조류가 생산한 산소를 이용해 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키고, 혐기성 암모늄 산화반응을 통해 질소를 제거하는 하수처리장치를 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혐기성 암모늄 산화균이 부착된 아나목스(ANNAMOX) 코어; 상기 코어 외부에 형성되고, 암모니아 산화균(AOB) 및 조류를 포함하는 쉘; 을 포함하는, 하수 내 질소 처리 담체가 제공된다.

일 측에 따르면, 상기 쉘은 이중층이고, 상기 아나목스 코어 외부에 형성되며 상기 암모니아 산화균을 포함하는 아질산화층; 및 상기 아질산화층 외부에 형성되고 상기 조류를 포함하는 광합성층; 을 포함하는 것일 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 아나목스 코어의 반경과 상기 쉘의 두께 비는 1:0.2 내지 1:2인 것일 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 아나목스 코어, 상기 쉘 또는 이 둘은, 다공성 소재를 포함하는 것일 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 하수는 하수처리장 유입하수, 하수처리장 슬러지공정 폐액, 침출수, 가축 분뇨 및 비가축 분뇨로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 질소를 함유하는 하수인 것일 수 있다.

본 발명의 하수처리장치는 조류, 암모늄 산화균 및 혐기성 암모늄 산화균을 융합하여 친환경적으로 하수 내 질소를 제거하고, 조류를 회수하여 에너지원으로 활용할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1는 코어의 반경과 쉘의 두께 비가 1:0.5 및 1:2인 담체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 담체의 구조도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에서 사용하는 혐기성 암모늄 산화반응(ANaerobic AMMonium Oxidation, ANAMMOX)이란, 혐기성 조건에서 전자공여체로 암모니아성 질소, 전자수용체로 아질산성 질소를 이용하여 암모늄을 산화시키고 질소 가스로 전환하는 반응을 의미한다.

아질산성 질소는 질산화의 중간단계에 존재하는 것으로, 자연적인 상태에서는 아질산성 질소의 형태로 존재하기 어려워 인위적으로 아질산 산화균(Nitrite Oxidizing Bacteria)의 활성을 억제하거나 개체수를 조절하여 혐기성 암모늄 산화반응에 공급할 수 있다. 그러나, 반응조 내에 한 종류의 미생물을 우점 배양하는 것은 용이하지 않기 때문에 고정형 담체 또는 PVA gel 형태로 제작하여 인위적으로 미생물을 고정화시키는 방법이 고려될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 혐기성 암모늄 산화균이 부착된 아나목스(ANNAMOX) 코어; 상기 코어 외부에 형성되고, 암모늄 산화균 및 조류를 포함하는 쉘; 을 포함하는, 담체가 제공된다.

일 측에 따르면, 상기 쉘은 이중층이고, 상기 아나목스 코어 외부에 형성되며 상기 암모니아 산화균을 포함하는 아질산화층; 및 상기 아질산화층 외부에 형성되고 상기 조류를 포함하는 광합성층; 을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명 담체의 외부 쉘에서는 조류의 광합성 반응이 일어나고, 이를 통해 발생한 산소를 암모늄 산화균이 아질산화 반응에 이용하여 아질산성 질소를 생성한다. 아나목스 코어에서는 쉘에서 유입된 하수 내 아질산성 질소와 암모니아성 질소가 혐기성 암모늄 산화균에 의해 제거된다.

아나목스 코어에서 혐기성 암모늄 산화반응에 사용되는 아나목스 세균의 예로는, Candidatus Brocadia sinica, Kuenenia spp, Brocadia anammoxidans, Kuenenia stuttgartiensis 및 Candidatus Jettenia caeni가 있다.

혐기성 암모늄 산화반응을 위해 필요한 암모니아성 질소 및 아질산성 질소의 비율은 하기의 식1에 의하면 1:1.32이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 1:0.5 내지 1:1.5의 범위인 것이 바람직하다.

[식 1]

하수의 아질산화 반응을 유도하기 위해서는 인위적인 조작을 통해 암모늄 산화균(AOB, Ammonium Oxidizing Bacteria)의 우점화를 유도하고, 아질산 산화균(NOB, Nitrite Oxidizing Bacteria)의 개체수와 활성을 억제하는 것이 필요하다. 이러한 아질산화 반응 유도에는 크게 두 가지 방법이 제시된다.

첫째로는 NOB wash-out을 통해 AOB의 우점화를 유도하는 방법으로, AOB와 NOB의 성장속도 차이를 이용하는 것이다. 일정 온도 이상 (약 30℃ 이상)에서 AOB의 성장속도는 NOB의 성장속도에 비해 약 2배 이상으로 빠르다. 이를 이용하여 고형물 체류시간(solid retention time, SRT)을 약 1일 내지 2일로 짧게 운전하여 NOB를 wash-out 시킬 수 있다.

둘째로, FA(Free ammonia)와 FNA(Free nitrous acid)의 조절을 통해 아질산성 질소의 축적을 유도하는 방법이 있다. 이 때, FA와 FNA는 온도, pH, 암모니아성 질소 그리고 아질산성 질소의 함수로 나타낼 수 있다. FA가 1.0 mg/L 내지 150 mg/L, FNA가 2.8 mg/L 이하일 경우 NOB가 저해를 받아 아질산화 반응이 유도된다. 일반적으로 질산화 반응에서 pH는 7 내지 8, 온도는 30℃ 내지 35℃, 암모니아성 질소의 농도는 150 mg/L 이상 유지하는 것이 바람직하다.

암모늄 산화균을 포함하는 아질산화층을 아나목스 코어 외부에 형성하는 경우 암모늄 산화균에 의해 산소가 소비되므로, 아나목스 코어 내 혐기성 암모늄 산화균의 성장이 방해되지 않는다. 아나목스 코어의 혐기 조건 형성을 위해, 아질산화층의 두께는 20 내지 200㎛인 것이 바람직하다. 최외부에 형성된 조류를 포함하는 광합성층에서는 광합성 반응에 의한 산소 공급뿐만 아니라 성장한 조류를 회수하여 에너지원으로 활용할 수 있다. 회수한 조류는 바이오 디젤, 바이오 플라스틱, 화장품 원료, 공기정화 등 여러 가지 산업 분야에 활용될 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 코어의 반경과 상기 쉘의 두께 비는 1:0.2 내지 1:2인 것일 수 있다. 도 1는 코어의 반경과 쉘의 두께 비가 1:0.5인 경우 및 1:2인 담체의 단면도이다. 처리 해야 하는 하수의 조건에 따라, 혐기성 암모늄 산화균이 부착된 아나목스(ANNAMOX)를 포함하는 코어의 반경과 암모늄 산화균 및 조류를 포함하는 쉘의 두께가 결정될 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 코어, 상기 쉘 또는 이 둘은, 다공성 소재를 포함하는 것일 수 있다.

다공성 소재는 폴리에틸렌, 염화비닐수지, 무기 세라믹, 스폰지, 부직포, 폴리에테르술폰, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리플루오르화물비닐라덴 등의 재질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 다공성 미디어는 구형, 원판형, 사상형, 정방형 또는 벌집형의 형태로 제공될 수 있다. 다공성 소재를 포함하는 담체를 제작하는 경우, 표면적이 증가하여 미생물이 초기에 쉽게 부착 성장할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기술된 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

1. 혐기성 암모늄 산화균이 부착된 아나목스(ANNAMOX) 코어;
   상기 아나목스 코어 외부에 형성되고, 암모니아 산화균(AOB)을 포함하는 아질산화층 및 상기 아질산화층 외부에 형성되고, 조류를 포함하는 광합성층으로 이루어지는 이중층의 쉘; 을 포함하고,
   상기 광합성층에서 발생하는 산소는 상기 아질산화층에 존재하는 암모니아 산화균의 아질산화 반응에 이용되고, 상기 아질산화 반응을 통해 생성된 아질산성 질소와 유입 하수 내 암모니아성 질소는 상기 아나목스 코어에 존재하는 혐기성 암모늄 산화균에 의한 아나목스 반응에 이용되며,
   상기 아나목스 코어의 반경과 상기 쉘의 두께 비는 1:0.2 내지 1:2이고,
   상기 아질산화층의 두께가 20 내지 200㎛인, 하수 내 질소 처리용 담체.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 아나목스 코어, 상기 쉘 또는 이 둘은, 다공성 소재를 포함하는 것인, 하수 내 질소 처리용 담체.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 하수는 하수처리장 유입하수, 하수처리장 슬러지공정 폐액, 침출수, 가축 분뇨 및 비가축 분뇨로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 질소를 함유하는 하수인 것인, 하수 내 질소 처리용 담체.

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