KR102101020B1

KR102101020B1 - 독립영양 미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수내 질소 처리 방법

Info

Publication number: KR102101020B1
Application number: KR1020170173681A
Authority: KR
Inventors: 황광현; 김효상; 박태신; 정진영; 최대희
Original assignee: 지에스건설 주식회사; 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2020-04-14
Also published as: KR20190072374A

Abstract

본 발명은 도시하수나 오수 내에 포함되어 있는 질소성분을 효율적으로 제거하기 위하여, 호기성 암모늄 산화미생물과 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정되어 있는 담체를 이용한 하수처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하수에 응집제를 주입한 후 슬러지와 상등수로 분리하는 응집침전단계, 상기 상등수를 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 포함하는 제1 호기조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계, 상기 제1 호기조 유출수를 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 포함하는 무산소조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계, 상기 무산소조 유출수를 호기성 미생물을 포함하는 제2 호기조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계를 포함하되, 상기 제1 호기조에 수용된 담체의 암모늄 산화미생물은 호기성 암모늄 산화미생물이고, 상기 무산소조에 수용된 담체의 암모늄 산화미생물은 혐기성 암모늄 산화미생물인 것을 특징으로 하는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법에 관한 것이다.

Description

독립영양 미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수내 질소 처리 방법 {Nitrogen Removal Methods of Sewage Using Autotrophic microorganism immobilized in Bead}

본 발명은 도시하수나 오수 내에 포함되어 있는 질소성분을 효율적으로 제거하기 위하여, 독립영양미생물인 호기성 암모늄 산화미생물과 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정되어 있는 담체를 이용한 하수처리방법에 관한 것이다.

질소가 수계내로 다량 유입되게 되면, 수생태 환경에 독성을 미치고 수계 내의 잔류 DO를 감소시키거나 부영양화를 발생시킬 수 있다. 또한 물리화학적 공법 중 염소소독 과정에서 유입되게 되면 소독 부산물을 생성하므로 2차적인 피해를 미치기 때문에 수계 내 질소 농도를 낮은 농도로 유지할 필요가 있다.

이러한 질소를 제거하는 방법으로 질산화 반응 및 탈질 반응을 이용한 생물학적 공정이 널리 사용되고 있다. 일반적인 생물학적 공정에서의 질소 제거반응은 호기성 조건에서의 질산화반응(식 1 및 2)과 무산소 조건에서의 탈질화반응이 순차적으로 진행되어 이루어진다.

(1)

(2)

그러나 상기 식 1 및 2로부터 알 수 있듯이, 암모니아성 질소를 산화시키기 위해서는 많은 양의 산소가 요구되고, 또 생물학적 공정의 탈질 반응은 질산 또는 아질산의 환원을 위해 미생물의 전자공여체로서 유기탄소원을 필요로 하기 때문에 이에 따른 운전비용이 증가할 수밖에 없다.

이러한 생물학적 공정의 문제점에 대응하여, 혐기성 암모늄 산화미생물을 이용한 질소 제거 방법에 많은 연구가 이루어지고 있다. 혐기성 암모늄 산화미생물은 혐기조건 하에서 암모늄(NH₄ ⁺)과 아질산(NO₂ ^-)을 기질로 사용하여 질소(N₂)를 생성하는 독립영양미생물이다. 혐기성 암모늄 산화미생물은 암모늄(NH₄ ⁺)을 전자공여체, 아질산(NO₂ ^-)을 전자수용체로 사용함에 따라 종래의 생물학적 공정과는 달리 유기탄소원의 첨가가 요구되지 않으며, 암모니아성 질소의 부분질산화에 소요되는 산소량도 종래의 생물학적 공정에 대비하여 약 60% 가량 절약되므로 폭기 비용 및 탄소원 공급비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 혐기성 암모늄 산화미생물을 이용한 질소제거공정은 최대 질소제거효율이 26～42 kg-N/m³-day로 0.3 kg-N/m³-day을 넘지 못하는 일반적인 생물학적 공정에 비해 탈질 효율이 매우 우수하다.

그러나 상기와 같은 혐기성 암모늄 산화미생물은 폐수처리공정 및 자연계의 질소순환계에서 Candidatus Brocadia, Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua, Candidatus Anammoxoglobus, Candidatus Jettenia 등의 형태로 존재하는데, 성장속도가 약 11일로 매우 느린 특징이 있어, 혐기성 암모늄 산화미생물에 의한 질소제거반응이 일정 수준으로 진행되기 위해서는 반응조로부터 유실되는 미생물을 효과적으로 제어할 필요가 있다.

최근에는 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함되어 있는 활성슬러지를 포괄 고정화 기법을 적용하여 비드화 함으로써, 혐기성 암모늄 산화미생물을 농후 배양하는 기술이 개발되었고, 고농도의 혐기성 암모늄 산화미생물을 반응조 내에 장시간 보유하는 것이 가능하게 되었다.

그러나 합성 폴리머 (polyvinyl alcohol, PVA)에 고정화된 혐기성 암모늄 산화균 배양 반응조에서 장기간 운전시, 비드 내에서 발생하는 질소가스가 비드 외부로 제대로 배출되지 않아 비드가 팽창되거나 파괴되는 현상이 발생하였다.

또한 혐기성 암모늄 산화균을 이용한 질소 제거 공법에서 전처리 개념으로 사용되는 부분 아질산화 반응은 반응조내 용존 산소 농도 (0.5 mg/L 이하)를 효과적으로 제어해야 하지만, 미생물의 활성도의 변화 및 유입 수질 변화 등에 의해 반응조내 낮은 산소 농도를 안정적으로 유지하기 어려운 문제점이 있다.

한국등록특허 제1040518호

본 발명은 산소와 유기탄소원의 공급을 최소화하여 처리비용을 절감할 수 있는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서는 혐기성 암모늄 산화미생물에 의한 질소 제거효과를 극대화할 수 있도록 부분 아질산화 공정이 부가된 하수처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

게다가 본 발명에서는 호기성 및 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정되는 담체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법은, 하수에 응집제를 주입한 후 슬러지와 상등수로 분리하는 응집침전단계, 상기 상등수를 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 포함하는 제1 호기조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계, 상기 제1 호기조 유출수를 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 포함하는 무산소조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계, 상기 무산소조 유출수를 호기성 미생물을 포함하는 제2 호기조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계를 포함하되, 상기 제1 호기조에 수용된 담체의 암모늄 산화미생물은 호기성 암모늄 산화미생물이고, 상기 무산소조에 수용된 담체의 암모늄 산화미생물은 혐기성 암모늄 산화미생물인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 응집침전단계에 주입하는 응집제는 폴리염화알루미늄(polyaluminumchloride, PAC) 또는 폴리염화규산알루미늄(PACS)인 것이 바람직하다.

또 상기 제1 호기조의 용존산소는 0.5 mg/L 이상 4 mg/L 이하로 유지되어, 부분 아질산화 반응이 진행되는 것이 바람직하다.

또 상기 제2 호기조 유출수를 침전시켜, 침전된 슬러지의 일부를 상기 무산소조로 반송시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

게다가 본 발명에서, 상기 제1 호기조의 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체는, PVA와 알지네이트가 혼합된 PVA-알지네이트 혼합용액을 준비하는 단계, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액에 호기성 암모늄 산화미생물이 포함된 슬러지 및 발포제를 혼합하여 발포-비드화 용액을 제조하는 단계, 및 상기 발포-비드화 용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 적정하여 슬러지가 고정화된 비드를 제조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

여기서, 상기 발포제는 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이고, 상기 발포-비드화 용액에서 탄산수소나트륨(NaHCO₃)은 물 200 중량부에 대하여 0.3∼1.2 중량부 혼합되는 것이 바람직하다.

또한 상기 무산소조의 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체는, PVA와 알지네이트가 혼합된 PVA-알지네이트 혼합용액을 준비하는 단계, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액에 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 슬러지 및 발포제를 혼합하여 발포-비드화 용액을 제조하는 단계 및 상기 발포-비드화 용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 적정하여 슬러지가 고정화된 비드를 제조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

상기 발포제는 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이고, 상기 발포-비드화 용액에서 탄산수소나트륨(NaHCO₃)은 물 200 중량부에 대하여 0.6∼2.4 중량부 혼합되는 것이 바람직하다.

게다가 상기 슬러지가 고정화된 비드를 인산 용액에 침지시켜 비드의 기계적 강도를 강화시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액의 pH는 3∼4인 것이 바람직하다.

더욱이 슬러지가 고정화된 비드를 증류수에 침지시켜 비드 내에 잔류하는 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 및 미반응 알지네이트를 비드 외부로 배출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법에서는, 응집침전공정을 통하여 유기물과 부유성 고형물이 미리 제거되기 때문에 부분 아질산화와 탈암모늄화를 안정적으로 진행시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명의 하수처리방법에 따르면, 부분 아질산화 반응 이후에 탈암모늄화 반응을 유도하기 때문에, 산소와 유기탄소원의 공급을 필요로 하지 않아 운전비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.

게다가 본 발명의 하수처리방법에 따르면, 담체의 발포제 함량 조절을 통하여 암모늄 산화미생물의 고정화를 유도하고 나아가 장기간 담체의 손실 없이 안정적인 수질을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법의 개념도이다.
도 2는 담체 깊이에 따른 용존산소의 변화 그래프이다.
도 3은 본 발명의 호기성 암모늄 산화미생물이 고정된 담체의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정된 담체의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 제조된 비드의 SEM사진이다.
도 6은 제조된 비드의 공극률 결과이다.
도 7은 탄산수소나트륨의 첨가량에 따른 부분 아질산화 결과이다.
도 8은 탄산수소나트륨의 첨가량에 따른 담체 내 미생물의 유실결과이다.
도 9는 발포제 주입함량에 따른 혐기성 암모늄 산화균의 분포상태를 나타낸 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법은, 도 1에 도시한 바와 같이, 응집침전단계, 제1 호기반응단계, 무산소반응단계, 제2 호기반응단계, 침전 후 슬러지반송단계를 포함하여 이루어진다.

상기 응집침전단계는 처리하고자 하는 하수를 응집침전조에 유입시킨 후 응집제를 주입하고, 급속교반 및 완속교반을 통하여 하수에 포함된 부유물질, 유기물질 그리고 인 성분을 플럭화시키는 단계이다.

본 발명에서는 호기성 미생물의 성장에 필요한 산소의 공급을 최소화하고, 또 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장을 저해할 수 있는 유기물의 유입을 최소화하기 위하여, 응집침전단계를 선행한다.

여기서, 응집제는 공지의 철염계, 알루미늄계 등 공지의 응집제를 사용할 수 있으나, 알칼리도의 소모를 최소화할 수 있는 폴리염화알루미늄(polyaluminumchloride, PAC) 또는 폴리염화규산알루미늄(poly aluminium chloride silicate, PACS)이 바람직하다. 이들 폴리염화알루미늄이나 폴리염화규산알루미늄은 공지의 응집제로서 구체적인 조성이나 제조방법은 생략하기로 한다.

상기 응집침전단계를 통하여 얻어진 상등수는 유기물을 산화하는 호기성 미생물(활성슬러지)과 호기성 암모늄 산화미생물이 고정화되어 있는 담체를 수용하는 제1 호기조에 공급되어 소정시간 반응시킨다.

상기 제1 호기조에서는 부분 아질산화가 진행됨과 동시에, 유기물을 산화하는 호기성 미생물(활성슬러지)에 의해 상등수에 포함되어 있는 유기물이 제거된다. 상기 부분 아질산화 과정을 좀 더 구체적으로 설명하면, 상등수에 포함되어 있는 암모니아성 질소의 일부를 아질산성질소로 산화시키는 단계로서 반응식은 아래 식 (3)과 같이 진행된다.

(3)

제1 호기조에서의 부분 아질산화단계는 후단의 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장과 산화반응을 고려하여, 상등수의 암모니아성 질소를 대략 50% 정도 산화시키는 것이 바람직하다.

또 상기 제1 호기조에서는 용존산소를 0.5 mg/L~4 mg/L 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 용존산소가 0.5 mg/L 미만이면 아질산화에 필요한 산소가 부족하고, 4 mg/L를 초과하면 산소가 과량으로 질산화반응이 동반되기 때문에 용존 산소는 상기 범위로 유지하는 것이 좋다.

한편, 상기 제1 호기조의 호기성 암모늄 산화미생물은 담체에 고정화되어 있는 것이 바람직하다. 도 2에 도시한 바와 같이, 담체 내부로 들어갈수록 용존산소가 낮아지기 때문에, 제1 호기조의 벌크상태 즉 담체 외부의 용존산소 농도가 상기 범위를 벗어나더라도 호기성 암모늄 산화균이 고정화된 담체 내부에서는 아질산화에 요구되는 낮은 용존산소 농도를 유지하는 것이 가능하고, 따라서 부분 아질산화반응을 안정적으로 유도하는 것이 가능하다.

상기와 같은 호기성 암모늄 산화미생물을 담체에 고정화하는 방법은 도 3에 나타낸 바와 같이, PVA와 알지네이트가 혼합된 PVA-알지네이트 혼합용액 준비단계, PVA-알지네이트 혼합용액에 호기성 암모늄 산화미생물이 포함된 슬러지와 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 혼합하여 발포-비드화 용액을 제조하는 단계, 발포-비드화 용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 적정하여 슬러지가 고정화된 비드를 제조하는 단계, 슬러지가 고정화된 비드를 인산 용액에 침지시켜 비드의 기계적 강도를 향상시키는 단계 및 비드를 증류수에 침지시켜 비드의 팽화 현상을 유도하는 단계를 포함하여 고정화될 수 있다.

상기 단계들을 상세하게 설명하면, 먼저 PVA-알지네이트 혼합용액과 슬러지를 각각 준비한다. 상기 PVA-알지네이트 혼합용액은 증류수에 PVA(poly vinyl alcohol)와 알지네이트가 혼합된 용액으로, 물 100 중량부에 대하여 PVA 10～20 중량부, 나트륨 알지네이트(sodium alginate) 1～5 중량부가 혼합된 용액을 사용할 수 있다. PVA와 알지네이트의 균일한 혼합을 위해 PVA-알지네이트 혼합용액을 100℃ 이상에서 일정 시간 동안 용해시키는 과정을 더 수행할 수도 있다.

상기 슬러지는 호기성 암모늄 산화미생물이 포함되어 있는 슬러지를 의미하며, 아질산화 반응을 향상시키기 위해 고농도의 슬러지를 사용하는 것이 바람직하고, 중력침전 및 원심분리를 통해 고농도의 슬러지를 준비할 수 있다. 또한, 슬러지를 100∼1,000㎛의 체거름으로 걸러 미생물의 크기를 균일하게 할 수도 있다.

이어서, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액과 슬러지를 혼합한다. 상기 PVA-알지네이트 혼합용액과 슬러지는 1 : 0.8∼1 중량비로 혼합될 수 있다.

PVA-알지네이트 혼합용액과 슬러지가 혼합된 상태에서, 발포제 보다 바람직하게는 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 추가로 투입한 후 재차 혼합한다. 상기 탄산수소나트륨(NaHCO₃)은 무기성 발포제로서 pH 3∼4의 환경 하에서 분해되어 이산화탄소(CO₂)를 생성한다. 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 분해에 의해 생성된 이산화탄소(CO₂)는 비드 형성 과정에서 비드 내에 기공을 형성하는 역할을 한다. 이하의 설명에서, PVA-알지네이트 혼합용액, 슬러지 및 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 혼합된 용액을 ‘발포-비드화 용액’이라 칭하기로 한다. 한편, 비드의 비중 조절을 목적으로 발포-비드화 용액에 제올라이트가 추가 투입되어 포함될 수도 있다.

발포-비드화 용액이 준비된 상태에서, 점액 상태의 발포-비드화 용액을 염화칼슘(CaCl₂)을 함유한 포화붕산(H₃BO₃) 용액에 적정한다. 상기 염화칼슘(CaCl₂)과 포화붕산(H₃BO₃)은 발포-비드화 용액을 비드(bead)로 만드는 가교제로서, 상기 염화칼슘은 알지네이트의 가교제, 상기 포화붕산은 PVA의 가교제 역할을 한다. 상기 포화붕산(H₃BO₃) 용액은 물 100 중량부에 대하여 0.5～1 중량부의 염화칼슘(CaCl₂)을 함유한다.

발포-비드화 용액이 염화칼슘(CaCl₂)을 함유한 포화붕산(H3BO₃) 용액에 적정됨에 따라, PVA와 알지네이트가 가교되어 비드가 형성되며, 비드 내에는 슬러지가 담지되어 고정화된다.

이와 같은 비드 형성 과정에서, 발포-비드화 용액에 포함되어 있는 탄산수소나트륨(NaHCO₃)은 분해되어 이산화탄소(CO₂)를 생성한다. 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 분해에 의해 생성된 이산화탄소(CO₂)는 비드 외부로 배출되며, 비드 내부의 이산화탄소(CO₂)가 비드 외부로 배출됨으로 인해 비드 내부에는 기공이 형성된다.

상기와 같은 과정을 통해 형성된 담체의 기공은 벌크액 즉, 암모니아성 질소가 함유되어 있는 상등액이 이동하는 통로로 작용하기 때문에 담체 내부에서 용존 산소의 농도를 낮게 유지하는 것이 가능하다.

상기 발포-비드화 용액에서 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 함량은 물 100 중량부 기준으로 0.15∼0.6 중량부, 보다 바람직하게는 0.15∼0.3 중량부 함유되는 것이 좋다. 탄산수소나트륨(NaHCO3)의 함량이 0.15 중량부 미만이면 기공의 직경이나 기공율이 너무 낮아 벌크액이 비드 내부까지 이동하기 어렵고, 반대로 0.6 중량부를 초과하면 기공의 직경이나 기공율이 너무 커서 고정화된 미생물이 담체 외부로 유출되는 문제점이 발생할 수 있다. 특히, 벌크액의 용존산소 농도가 높은 경우에는 담체 내부까지도 용존산소가 높게 유지되어 아질산화반응을 거쳐 질산화반응까지 진행될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 이산화탄소(CO₂)로 분해되는 최적 pH 3∼4이므로, 이에 따라 염화칼슘(CaCl₂)을 함유한 포화붕산(H₃BO₃) 용액은 pH 3∼4로 조절되어야 한다.

이상에서는 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 이용하여 비드 내에 기공을 형성하는 방법을 설명하였으나, 고체입자를 이용하여 기공을 형성할 수도 있다. 즉, 발포-비드화 용액 내에 고체입자를 포함시킨 상태에서 비드를 완성하게 되면, 고체입자는 PVA 또는 알지네이트와 화학적 결합을 이루지 않음에 따라 일정 강도의 외부의 물리적 충격에 의해 고체입자가 비드로부터 탈착되는 현상이 발생되며, 고체입자가 탈착된 부위에는 비드의 내외부를 공간적으로 연결하는 기공이 형성된다. 여기서, 일정 강도의 외부의 물리적 충격이라 함은 교반기 동작에 의한 비드들 간의 접촉을 의미하거나, 고체입자를 비드로부터 탈착시키기 위한 외부의 물리적 충격을 의미할 수 있다.

상기 고체입자는 발포-비드화 용액에 추가, 혼합되거나 PVA-알지네이트 혼합용액 내에 미리 혼합될 수 있고, 상기 고체입자는 PVA, 알지네이트와 화학적 반응을 하지 않는 물질이라면 특별히 제한하지 않지만, 일 실시형태로서 10㎛∼1mm 이하 크기의 활성탄을 이용할 수 있다.

상기 과정들을 통하여 만들어진 비드는 0.5～1M의 인산(KH₂PO₄) 용액에 침지시켜 비드의 기계적 강도를 강화시키는 단계를 추가적으로 실시할 수 있다.

또 제조된 비드를 증류수를 이용하여 2∼3회 세척한 후, 증류수에 침지시켜 팽화 현상을 유도하여, 비드 내에 잔류하는 탄산수소나트륨(NaHCO₃)과 미반응 알지네이트가 비드 외부로 배출시키는 단계를 더 실시할 수 있다.

이상에서와 같이 호기성 암모늄 산화미생물이 고정된 담체가 수용되어 있는 제1 호기조에서 소정 시간 반응시키게 되면, 암모니아성 질소의 일부는 그대로 남아 있지만 일부는 아질산성 질소로 산화된다. 이러한 제1 호기조 반응액은 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체가 구비되어 있는 무산소조로 공급된다.

무산소조의 담체에 고정되어 있는 혐기성 암모늄 산화미생물은 유기 탄소원을 필요로 하지 않으며 혐기성 조건에서 전자공여체로 NH₄ ⁺, 전자수용체로 NO₂ ^-를 이용하여 암모니아성 질소를 산화시키고, 무기탄소(HCO₃ ^-)를 환원하여 세포내 탄소를 합성한다(식 4).

(4)

상기와 같은 혐기성 암모늄 산화미생물을 담체에 고정화하는 방법은 도 4에 나타낸 바와 같이, PVA와 알지네이트가 혼합된 PVA-알지네이트 혼합용액 준비단계, PVA-알지네이트 혼합용액에 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 슬러지와 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 혼합하여 발포-비드화 용액을 제조하는 단계, 발포-비드화 용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 적정하여 슬러지가 고정화된 비드를 제조하는 단계, 슬러지가 고정화된 비드를 인산 용액에 침지시켜 비드의 기계적 강도를 향상시키는 단계 및 비드를 증류수에 침지시켜 비드의 팽화 현상을 유도하는 단계를 포함하여 고정화될 수 있다.

전술한 호기성 암모늄 산화미생물을 담체에 고정하는 방법과는 담체에 고정하는 미생물과 발포제의 함량만 상이하므로, 이하에서는 발포-비드화 용액을 제조하는 단계에 관해서만 구체적으로 설명하기로 한다.

PVA-알지네이트 혼합용액에 부가되는 슬러지는 혐기성 암모늄 산화미생물이며, PVA-알지네이트 혼합용액과 슬러지가 혼합된 상태에서, 발포제인 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 물 100 중량부 기준으로 0.15∼1.2 중량부, 보다 바람직하게는 0.3~0.6 중량부 함유시킨다.

탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 함량이 0.15 중량부 미만이면 기공의 직경이나 기공율이 너무 낮아 벌크액이 비드 내부까지 이동하기 어려울 뿐만 아니라 암모니아성 질소의 산화과정에서 발생하는 질소가스가 비드 외부로 잘 배출되지 않아 비드가 파괴될 우려가 있다. 반대로 1.2 중량부를 초과하면 기공의 직경이나 기공율이 너무 커서 고정화된 미생물이 담체 외부로 유출될 수 있을 뿐만 아니라 외부 충격에 의해 비드가 쉽게 파괴될 수 있으므로, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 함량은 상기 범위로 조절되는 것이 바람직하다.

혐기성 암모늄 산화미생물이 고정된 담체가 수용되어 있는 무산소조에서 소정 시간 반응시키면, 잔류하던 암모니아성 질소는 질산성질소로 산화되며 일부 유기물과 인성분이 남아 있다. 이러한 성상을 갖는 무산소조 배출수는 부유상으로 서식하는 호기성 미생물을 포함하는 제2 호기조로 공급되며, 제2 호기조 내에서는 이들 호기성 미생물에 의해 유기물이 제거되고, 또 인과 질소를 섭취하면서 미생물이 증식한다.

마지막으로, 제2 호기조에서 소정 시간 반응시킨 후에는 상협하광 구조를 갖는 침전조에서 미생물(활성슬러지)과 처리수를 분리하기 위한 침전단계를 실시하며, 침전조 아래에 침강된 미생물(활성슬러지)의 일부는 무산소조로 반송시키고, 상침전조 상부의 깨끗한 처리수는 고도처리 또는 하천 등으로 방류한다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체 및 그 제조방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다.

<담체의 제조예>

물 100g에 PVA 15g, 나트륨 알지네이트 2g을 혼합하여 PVA-알지네이트 혼합용액을 제조한 다음, PVA-알지네이트 혼합용액에 혐기성 암모늄 산화미생물2.0g(1.5g~2.5g)과 물 100g이 포함되어 있는 슬러지를 혼합하였다. 이어, 슬러지가 혼합된 PVA-알지네이트 혼합용액에 0g, 0.3g, 0.60g, 1.2g, 2.4g의 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 각각 투입하여 발포-비드화 용액을 제조하였다. 그런 다음, 각각의 발포-비드화 용액을 증류수 100g 기준으로 0.5～1g 염화칼슘을 함유한 포화붕산 용액에 적정하여 비드를 제조하였고, 제조된 비드는 0.5M 인산 용액과 반응시켰다.

도 5는 제조된 비드의 SEM 사진이며, 도 5에 도시된 바와 같이 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 투입되지 않은 비드의 경우(0g), 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 투입된 비드에 비해 기공이 거의 형성되지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 투입량이 증가될수록 기공의 크기가 커지며 이와 같은 결과는 도 5에 도시된 기공률 측정결과와 일치한다. 도 6을 참조하면, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 투입량이 증가될수록 기공률 또한 증가됨을 확인할 수 있다.

도 7은 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 첨가량에 따른 부분 아질산화율을 확인하기 위하여, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 투입되지 않은 비드(0g)와 투입율을 달리한 비드(0.3g, 0.6g, 1.2g)를 준비하여 제1 호기조에 투입하여 실험하였다.

이때, 원수의 대표적 오염물질로는 암모니아성 질소농도 26.4

3.5 mg/L, BOD 120.2

23.8 mg/L, COD 105.2

10.2 mg/L 및 SS 147.1

52.9 mg/L 였다.

도 7의 결과로부터 알 수 있듯이, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 투입하지 않은 비드를 사용한 경우, 약 50%의 아질산화율을 달성하기 위해서는 용존산소 농도를 약 6.0 mg/L로 유지할 필요가 있다. 이에 반해, 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 0.3g을 주입한 비드에서는 약 4.5 mg/L, 0.6g에서는 약 4.0 mg/L 그리고 1.2g에서는 약 2.0 mg/L로서, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 첨가시키면 용존산소의 농도를 낮게 유지하여도 동일한 아질산화율을 달성하는 것이 가능함을 알 수있다.

도 8은 탄산수소나트륨(NaHCO3)의 첨가량에 따른 담체 내 미생물의 유실결과이다.

담체 제조 과정에서 사용된 물, PVA, 알지네이트 및 미생물 함량은 각각 200g, 15g, 2g 및 2g이었으며, 발포제 (NaHCO₃) 첨가량을 0.6g, 1.2g, 2.4g으로 달리하여 담체를 제조하였다.

상기의 배합비로 제조한 담체를 증류수에 채운 뒤, 교반과 함께 일정시간 간격으로 비드를 채취하여, 담체 외부로 배출된 미생물을 측정하였다.

도 8의 결과로부터 알 수 있듯이, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 0.6g 주입한 경우 유실된 미생물은 약 1.1 %, 1.2g 주입한 경우에는 5.4 %로 나타나 담체 내에 미생물이 안정적으로 고정되어 있다는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 2.4g 주입한 경우에는 최대 16 %까지 미생물이 유실되는 것을 확인하였다.

도 9는 혐기성 암모늄 산화미생물이 식종된 담체의 적합성을 조사하기 위하여 부분 아질산화 반응 유출수와 유사한 합성 폐수를 제조하여 사용하였다. 사용된 폐수의 NH₄ ⁺-N 및 NO₂ ^--N 농도는 각각 20mg/L, 20mg/L 이었다. 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체(물, PVA, 알지네이트 및 미생물 함량은 각각 200g, 15g, 2g 및 2g)는 발포제 함량을 0g, 0.6g, 1.2g 및 2.4g으로 조절하여 제조하였고, 수리학적 체류시간과 반응 온도는 각각 3hr, 30℃를 유지하였다.

도 9에서 알 수 있듯이, 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 포함되지 않은 경우에는 담체 내부로의 기질 확산이 원활히 수행되지 못하여 담체 외부에 혐기성 암모늄 미생물이 밀집되어 있는데 반해, 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 첨가한 경우에는 담체 외부뿐만 아니라 내부에서도 혐기성 암모늄 미생물이 분포하고, 특히 1.2g의 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 주입한 경우에는 매우 균등하게 분포하고 있는 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

Claims

하수에 응집제를 주입한 후 슬러지와 상등수로 분리하는 응집침전단계;
상기 상등수를 호기성 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체와 부유성 호기성 미생물이 서식하는 제1 호기조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계;
상기 제1 호기조 유출수를 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 포함하는 무산소조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계; 및
상기 무산소조 유출수를 호기성 미생물이 서식하는 제2 호기조에 공급하여 소정시간 반응시키는 단계를 포함하되,
상기 제1 호기조에서는 암모니아성 질소의 50%가 아질산성 질소로 산화될 수 있도록 용존산소를 2.0 mg/L 이상 4 mg/L 이하로 유지하고,
상기 제1 호기조의 호기성 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체는, PVA와 알지네이트가 혼합된 PVA-알지네이트 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 PVA-알지네이트 혼합용액에 호기성 암모늄 산화미생물이 포함된 슬러지 및 탄산수소나트륨(NaHCO3)를 혼합하여 발포-비드화 용액을 제조하는 단계; 및 상기 발포-비드화 용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 적정하여 슬러지가 고정화된 비드를 제조하는 단계를 포함하여 제조되되, 호기성 암모늄 산화미생물이 고정된 담체 제조 단계에서의 발포-비드화 용액에서 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 물 200 중량부에 대하여 0.6 중량부 혼합되고,
상기 무산소조의 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체는, PVA와 알지네이트가 혼합된 PVA-알지네이트 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 PVA-알지네이트 혼합용액에 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 슬러지 및 탄산수소나트륨(NaHCO3)를 혼합하여 발포-비드화 용액을 제조하는 단계; 및 상기 발포-비드화 용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 적정하여 슬러지가 고정화된 비드를 제조하는 단계를 포함하여 제조되되, 혐기성 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체 제조 단계에서의 발포-비드화 용액에서 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 물 200 중량부에 대하여 0.6∼1.2 중량부 혼합되는 것을 특징으로 하는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법.
제1항에 있어서,
상기 응집침전단계에 주입하는 응집제는 폴리염화알루미늄(polyaluminumchloride, PAC) 또는 폴리염화규산알루미늄(PACS)인 것을 특징으로 하는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 호기조 유출수를 침전시켜, 침전된 슬러지의 일부를 상기 무산소조로 반송시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 슬러지가 고정화된 비드를 인산 용액에 침지시켜 비드의 기계적 강도를 강화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법.
제9항에 있어서,
상기 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액의 pH는 3∼4인 것을 특징으로 하는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법.
제1항에 있어서,
슬러지가 고정화된 비드를 증류수에 침지시켜 비드 내에 잔류하는 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 미반응 알지네이트를 비드 외부로 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모늄 산화미생물이 고정화된 담체를 이용한 하수처리방법.