KR102432539B1 - 제올라이트를 이용한 수처리여재 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오폐수 또는 전처리된 오폐수의 방출수를 고도로 처리하기 위하여 사용되는 미생물 접촉여재(media)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ① 제올라이트와, ② 패각분말 또는 패각분말과 탄산칼슘 혼합물로 이루어지며, 압축강도 85N 이상, 표면적 10㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 수처리용 미생물 접촉여재에 관한 것이다.

Description

제올라이트를 이용한 수처리여재 및 그의 제조방법{Media for Water Treatment Using Zeolite and Preparation Method thereof}

본 발명은 오폐수 또는 전처리된 오폐수의 방출수를 고도로 처리하기 위하여 사용되는 미생물 접촉여재(media)에 관한 것이다.

국가적으로 하수처리장에서 종말처리되어 방류되는 방류수의 수질개선을 위해 배출 허용기준이 점차 강화되는 추세로서 2019년부터는 공공하수처리시설의 방류수 수질기준이 T-N 20㎎/ℓ, T-P 0.2㎎/ℓ에 이르고 있다.

질소의 제거는 호기성 상태에서 폐수 내의 질소화합물을 질산성 질소로 전환하는 질산화공정 및 무산소 분위기하에서 질산성 질소를 질소 기체로 환원시키는 탈질공정을 통해 이루어지고, 통상 생물학적으로 이루어지는 인의 제거는 혐기성 상태에서 미생물의 대사활동에 의해 인을 방출시키고, 호기성 상태에서 미생물로 하여금 인을 과잉으로 섭취하게 한 후 이를 슬러지로 제거하는 과정을 통해 이루어진다.

그러나, 특히 겨울철의 낮은 수온으로 인한 낮은 하수처리장 질소처리 효율 문제는 암모니아가 질산성 질소로 전환되는데 관여하는 미생물이 독립(자가)영양미생물로 CO₂와 같은 무기물을 탄소원으로 성장하여 겨울철 수온이 낮을 경우 성장에 영향을 받아 활성화에너지가 급격히 감소하여 질소제거가 어렵다. 또한 인의 함량이 대단히 높은 슬러지 대부분이 유량조정조 및 생물반응조로 반송되므로 일시적으로 인의 방류수질은 낮게 할 수는 있으나 생물학적 처리 공정 내에서 인이 점차 농축되면 점차 방류농도가 높아지는 한계를 가진다.

제올라이트란 산화규소(SiO₂)와 산화알루미늄(Al₂O₃)의 사면체가 골격 형태를 이룬 결정으로서 미세한 공극이 형성되어 있는 다공성이어서 종래 수처리용 여재로 널리 활용되고 있다. 그러나 제올라이트 여재는 암모니아성 질소를 효과적으로 흡착하여 여재 표면의 암모니아 농도가 높아 생물학적으로 질산성 질소로 전환하는 질산화 반응에는 효과적이지만, 질산성 질소 전환에 관여하는 미생물의 특성상 알칼리도가 충분히 공급되어야 더 효율적으로 질산화 과정이 수행되며, 질산성 질소를 제거하는 탈질 반응에는 적절하지 않은 것으로 알려져 있다. 또한 전술하였듯이 저온에서는 질산화 반응 효율이 상당히 낮아지며, 나아가 인 제거에는 전혀 관여하지 못한다는 단점이 있다.

한편 패각은 95% 이상의 탄산칼슘(CaCO₃), 미량의 SiO₂, MgO, Na₂O와 같은 무기물로 이루어져 있다. 패각은 비표면적이 넓어서 화학물질에 대한 흡착능력이 우수한 물리적 특성을 가지고 있다. 아울러, 패각은 생물체에서 얻어지므로 미생물과의 친화성이 높기 때문에 미생물이 패각 표면 또는 공극에 생물막을 형성하는 것이 용이하며, 알칼리도를 패각에서 공급받을 수 있는 장점이 있으며, 패각 자체가 사업장 폐기물로 해마다 처리를 위해 막대한 예산이 소요되고 있어, 수처리여재에 패각을 활용한다면 폐기물의 재활용 측면에서도 경제적 기술적 효과를 얻을 수 있다.

등록특허 10-1203696은 약 70%(중량비)의 패각분말과 약 30%의 세라믹과 소량의 폴리머(폴리에틸렌)를 혼합하여 소성한 다공성 여재를 제시하고 있다. 이러한 여재를 기존의 다양한 생물학적 수처리시설의 폭기조에 미생물 담체로 사용할 때 암모니아성 질소를 질산화시키며, 동시에 미생물에 의한 인의 과잉섭취 및 유기물의 산화반응이 일어나므로 질소, 인 및 유기물 제거에 기여할 수 있다. 그러나 이러한 여재는 패각 주성분인 CaCO₃ 자체 및 그 반응생성물이 물과 활발히 반응하여 용적팽창이 일어나고 이에 의해 소성된 여재에 균열발생 등의 물리적 손상이 초래된다. 즉, 이렇게 제조된 여재의 물리적 강도가 매우 약하기 때문에 폭기조 등 현장에 적용했을 때 상호마찰에 의해 쉽게 부서지는 현상이 발생하기 때문에 여재를 자주 보충해야 하며, 후단에서 여재의 미세분말을 제거해야 하는 부하가 커지는 단점이 있다.

등록특허 10-1203696

본 발명은 종래 제올라이트 여재에 비해 인의 흡착 및 미생물 부착이 용이하여 질산화 반응용 또는 탈질탈인 반응용 수처리 여재 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 인의 흡착 및 탈질 미생물 부착이 용이하면서도 종래 제올라이트 여재에 비해 비표면적과 압축강도가 우수한 수처리 여재 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기존에 운영 중인 수처리시설의 총질소 및 총인 처리효율 개선을 위한 시스템에 적용될 수 있는 질산화 반응용 또는 탈질탈인 반응용 수처리 여재 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은

① 제올라이트와, ② 패각분말 또는 패각분말과 탄산칼슘 혼합물로 이루어지며, 압축강도 85N 이상, 표면적 10㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 수처리용 미생물 접촉여재에 관한 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 인의 흡착 및 미생물 부착이 용이하다는 생물학적 특성 및 충분한 비표면적과 압축강도라는 물리적 특성을 모두 충족하는 수처리용 미생물 접촉여재를 제공할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의한 여재를 질산화 공정에서 활용할 경우 충분한 비표면적에 의해 미생물의 부착성장이 활성화되어 낮은 온도에서 활성화에너지의 급격한 감소를 방지할 수 있다.(Published in Environmental Technology. Vol. 25. No. 11, 2004, pp 1211~1219) 따라서 본 발명에 의하면 동절기에도 질소를 효율적으로 제거할 수 있는 수처리 시스템을 가능하게 한다.

또한 본 발명에 의한 접촉여재가 적용된 수처리 시스템에 의하면 최종 방류수에 영양염류(질소, 인)가 대부분 제거되므로 기존의 수처리 시스템을 활용하더라도 방류수 수질기준을 충족시킬 뿐 아니라 방류수의 재이용을 촉진시켜 물 부족 현상에 대처할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 적용예에 의한 파일롯 수처리 시스템의 개념적 구성도.
도 2a, 2b는 본 발명의 적용예에 의한 파일롯 수처리 시스템의 사진.
도 3a, 3b는 각각 본 발명에 의한 파일롯 수처리 시스템 운전기간 중 암모니아성 질소 농도변화 및 암모니아성 질소 제거율을 보여주는 그래프.
도 4는 대조구의 폭기조인 호기조와, 본 발명의 적용예의 폭기조인 질산화반응조에 존재하는 질산화 미생물의 함량과 종류를 보여주는 그래프.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

(1) 수처리용 미생물 접촉여재 및 그의 활용

본 발명은 ① 제올라이트와, ② 패각분말 또는 패각분말과 탄산칼슘 혼합물로 이루어지며, 평균압축강도 85N 이상, 비표면적 10㎡/g 이상인 수처리용 미생물 접촉여재에 관한 것이다. 평균압축강도 85N 이상이어야 수처리설비에 적용되어 상호간의 충돌과 마찰이 있더라도 깨지지 않고 내구성을 유지할 수 있다. 비표면적 10㎡/g 이상의 다공성이어야 수처리설비에 적용되었을 때 충분한 물리적 여과기능을 수행하며, 생물학적 수처리일 경우에는 충분한 양의 미생물들이 접촉여재에 부착되고 탈락되지 않아 생물학적 수처리가 효율적으로 이루어진다. '평균압축강도 85N 이상, 비표면적 10㎡/g 이상'의 조건만 만족한다면 압축강도나 비표면적은 높을수록 좋을 것이지만, 최고값은 경제적 요건을 고려하여 적절하게 선택할 수 있을 것이다.

본 발명에서 상기 접촉여재의 성분은 ① 제올라이트 80~95중량%와, ② 패각분말 50~100중량%와 탄산칼슘 0~50중량%로 이루어진 패각혼합물 5~20중량%인 것이 바람직하다. 하기 실시예에서 확인할 수 있듯이 제올라이트의 함량이 80% 미만인 경우 평균압축강도는 85N 이상을 만족하지만 비표면적이 10㎡/g 미만이 된다.

이때 패각혼합물은 [패각분말100% ~ 패각분말50%+탄산칼슘50%]이다. 패각분말의 대부분이 탄산칼슘이므로 패각분말 대신 순수 탄산칼슘을 적용할 수 있음을 반영한 것인데, 실시예서 볼 수 있듯이 탄산칼슘의 함량이 많아지면 압축강도는 다소 증가하지만 비표면적이 낮아진다.

첨가된 패각혼합물은 90% 이상의 다량의 CaCO₃를 함유하고 있고, CaCO₃는 인산(PO₄ ^2-)과 결합하는 성질이 있어 인 흡착 효과를 얻을 수 있다. 또한 CaCO₃는 암모니아가 질산으로 전환될 때 소모되는 알칼리니티(하기 화학식 1 참조)를 보충(즉, 질산화 미생물에 알칼리도를 공급)하는 기능을 하기 때문에 질산화 공정 후단으로 갈수록 질산화 속도가 감소하는 현상이 방지되어 더욱 효율적인 질산화(암모니아 제거)가 가능하게 된다.

이렇게 본 발명에 의한 접촉여재는 다공성(→질산화균 부착 생장, 암모니아 흡착)이고 CaCO₃를 함유(→인 흡착, 질산화 효율 증대)하는 특성을 가진다. 이에 의해 초기 운전 시에 입자에 암모니아가 흡착되어 물리적/화학적으로 제거될 뿐만 아니라, 이에 따라 부착과 생장이 촉진된 질산화 미생물과, 입자에 함유된 CaCO₃에 의해 암모니아의 생물학적 질산화가 활발하게 일어나게 된다. 나아가 부가적으로 일부의 인(P)도 입자에 흡착/제거되는 효과도 있다.

본 발명에서 상기 수처리용 미생물 접촉여재는 입경이 1~10㎜인 것이 좋은데, 이보다 작으면 인접한 접촉여재들 사이의 공극이 너무 작아 처리수의 원활한 통과가 어려우며, 너무 크면 접촉여재 내부로의 물질이동이 어려워 여재로서의 기능이 저하된다.

이러한 본 발명에 의한 수처리용 미생물 접촉여재는 제올라이트에 의해 암모니아성 질소의 흡착이 용이한데, 이는 여재에 부착생장하는 질산화미생물에 의해 질산화된다. 또한 본 발명에 의한 접촉여재는, 패각혼합물에 의해 높은 비표면적과 알칼리도를 제공하므로 미생물의 흡착을 촉진하고 미생물에 의한 알칼리도 소모를 보충하는 특성을 보유하게 된다. 또한 패각혼합물에 존재하는 다량의 칼슘이 인(PO₄ ^2-)을 흡착하는 특성이 있어서 처리수 중에 잔류하는 인을 제거하는 효과도 나타낸다.

따라서 질소인 흡착능이 우수한 본 발명에 의한 접촉여재를 비점오염원, 물순환도시 조성, 친수공간, 공원 조성 사업 등에 영양염류 저감용 여재로 활용할 수 있다. 이에 의해 수질보전 및 수생태계 보호, 하폐수처리장 질소인 고도처리 기준 강화 및 하폐수 재이용 정책강화에 따른 기존 시설 보완에 대비하는 질산화 반응조 및/또는 탈질탈인반응조에 적용할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 접촉여재는 충분한 강도가 있을 뿐만 아니라 ⓐ 제올라이트에 의한 암모니아성 질소의 흡착 ⓑ 다공성 제올라이트 및 패각혼합물에 의한 높은 다공성 ⓒ 패각혼합물의 탄산칼슘에 의한 알칼리니티 공급 및 ⓓ 패각혼합물의 칼슘에 의한 인산 흡착 등의 기능을 가지고 있다.

따라서 본 발명에 의한 접촉여재를 질산화반응조에 적용하는 경우 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

먼저 기본적으로 위 특성ⓑ 다공성(높은 비표면적)에 의해 질산화 미생물들이 접촉여재에 부착이 잘 되는데, 이는 위 특성ⓐ에 호응하여 질산화 미생물의 활성화와 암모니아성 질소의 질산화반응의 촉진을 유도한다. 질산화 미생물은 자가영양 미생물로 온도가 낮아짐에 따라 성장률이 낮고, 독성 및 외부환경에 영향을 많이 받는데, 본 발명에 의한 접촉여재에는 특히 질산화 미생물의 초기 부착 시간을 단축시킬 수 있어 질산화 미생물 부착생장에 매우 유리하다.

또한 특히 하수처리 후처리공정에서, 질소인 제거 효율 향상을 위해 이용시 생물학적 하수처리 후 알칼리도가 낮아 (50~100mg/L as CaCO₃) 후속 질산화공정에서 알칼리도가 부족한 경우 암모니아(NH₃)가 질산염(NO₃ ^-)으로 전환되는 질산화 반응이 느리게 일어나지만, 위 특성ⓒ에 따라 알칼리도가 충분히 공급되어 질산화 반응이 안정적으로 일어나게 된다.

한편, 질산화반응조의 접촉여재는 소정의 방식으로 재생과정을 거치게 되는데, 본 발명에 의한 접촉여재는 순수 제올라이트 여재와 유사한 강도를 가지고 있어 이러한 재생과정에서 내구성을 유지하므로 반복적인 사용이 가능하게 된다.

본 발명에 의한 접촉여재를 탈질탈인반응조에 적용하는 경우 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

먼저 기본적으로 위 특성ⓑ 높은 비표면적에 의해 탈질 미생물들이 접촉여재에 잘 부착생장하고 있어 전단에서 유입되는 질산화처리수 중의 질산성 질소를 원활하게 탈질하게 된다. 즉, 접촉여재에 부착된 탈질 미생물에 의해 함유된 질산성 질소가 환원되면서 기체 질소로 전환되어 제거된다.

한편, 유입된 질산화처리수 중에는 부유고형물과 인산(PO₄ ^3-) 형태의 인이 잔류할 수 있다. 부유고형물은 본 발명에 의한 다공성 접촉여재로 이루어진 여과층을 통과하면서 입자 표면이나 공극에 부착된다. 인(P)은 접촉여재에 포함된 CaCO₃의 Ca와 결합하여 입자에 흡착 제거된다. 즉, 본 발명에 의한 다공성 접촉여재로 이루어진 여과층을 통과하면서 잔류하는 질산성 질소, 인(P) 및 부유고형물은 탈질과 입자흡착에 의해 제거되고 정제된 최종처리수가 배출된다. 접촉여재에 흡착된 부유고형물과 인(P)은 소정의 순환-세척/재생 과정에서 접촉여재에서 탈리되는데, 본 발명에 의한 접촉여재는 순수 제올라이트 여재와 유사한 강도를 가지고 있어 이러한 재생과정에서 내구성을 유지하므로 반복적인 사용이 가능하게 된다.

탈질탈인조에 적용되는 본 발명에 의한 접촉여재는 질산화반응조의 것에 비해 상대적으로 작아 물리적인 여과기능이 효과적으로 이루어지도록 하는 것이 좋다.

본 발명에 의한 수처리용 미생물 접촉여재를 이용하여 파일롯 플랜트를 운영해본 결과, 질산화반응조와 탈질탈인반응조에 직경이 다른 입자를 적용하는 것이 더 효율적인 것을 확인하였다. 즉, 접촉여재의 입자직경은 질산화반응조에는 3~6㎜인 것이 질산화에 더 유용하였고, 탈질탈인반응조에는 1~2㎜인 것이 탈질반응 뿐만 아니라 접촉여재 입자층이 물리적 여과층으로 작용하는 추가적 효과를 얻을 수 있었다.

(2) 수처리용 미생물 접촉여재의 제조방법

또한 본 발명은 전술한 수처리용 미생물 접촉여재의 제조방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 ① 제올라이트 80~90중량%와, ② 패각분말 50~100중량%와 탄산칼슘 0~50중량%로 이루어진 패각혼합물 10~20중량%를 고르게 혼합하는 배합단계; 상기 혼합된 원료로 구형의 여재를 제조하는 성형단계; 상기 구형의 여재를 250~350℃에서 2~4시간 건조하는 건조단계; 이어서 800~1000℃로 승온하여 20~60분간 소성하는 소성단계; 소성된 여재를 소정의 입경으로 분리하는 선별단계; 를 포함하는 수처리용 미생물 접촉여재의 제조방법에 관한 것이다.

먼저 ① 제올라이트 80~90중량%와, ② 패각분말 50~100중량%와 탄산칼슘 0~50중량%로 이루어진 패각혼합물 10~20중량%를 고르게 혼합한다(배합단계). 패각분말인 경우 수회 세척되고 건조된 패각으로부터 얻을 수 있다. 원료의 입도는 통상 세라믹 여재를 제조하는데 필요한 정도로서 대략 100~200메쉬(mesh)인 것이 바람직하다.

반죽과 성형을 위해 상기 원료에 통상 세라믹 여재를 제조하는데 필요한 정도(대략 분말원료 100중량부에 대하여 20~25 중량부)의 물을 첨가한다. 이때 반죽의 접착력을 높이고 제조될 접촉여재의 비표면적(다공성)을 증가시키기 위해 예를 들면, PVA와 같은 공극유도제를 소정량(분말원료 100중량부에 대하여 5~10중량부)을 물에 용해하여 첨가할 수 있다.

이어서 배합단계를 거친 혼합물을 소정의 여재제작장치(pelletizer)를 이용하여 원하는 입경의 구형체를 얻고(성형단계), 이를 250~350℃에서 2~4시간 건조 겸 예열한다(건조단계). 이어서 건조된 구형체를 800~1000℃로 승온하여 20~60분간 소성(소성단계)한 다음 냉각한다. 이렇게 소성된 여재를 소정의 입경으로 분리한다(선별단계).

한편, 예를 들면 공극유도제로 첨가된 PVA는 녹는점이 200℃, 끓는점이 228℃ 이다. 물에 용해된 PVA는 배합단계에서 균일하게 반죽 전체에 분포되었다가 건조단계에서 물이 먼저 증발하면서 미세 고체로 존재하다가, 온도가 증가함에 따라 녹았다가 증발하게 된다. 혹여 잔류되는 PVA는 소성단계의 높은 온도에서 모두 증발하거나 타서 없어진다. 그 결과 반죽 전체에 고르게 분포되었던 PVA가 차지하였던 미세한 공간들이 공극으로 남게 되어 궁극적으로 소성이 완료된 본 발명에 의한 접촉여재는 더욱 높은 비표면적을 가지게 된다.

[제조예 및 적용예]

실시예에서는 다른 언급이 없으면, 원료분말의 입도가 150~200메쉬가 되도록 하였고, 배합단계에서 분말원료 100중량부에 대하여 각각 22.5 중량부의 물과 7.5중량부의 PVA를 가하였다. 건조단계는 300℃에서 3시간, 소성단계는 900℃에서 30분 진행하였다. 최종 얻어진 여재는 입자경 3~9㎜의 것을 선별하여 실험하였다. 앞에서 설명하였듯이, 배합단계에 첨가된 물과 PVA는 건조단계와 소성단계에서 모두 제거된다. 따라서 하기 표에서는 최종 접촉여재에 남아 있는 성분만을 표시하였다.

1. 제조예 : 함량비율에 따른 접촉여재의 물성 측정

패각혼합물 함량의 증가에 따라 제조된 접촉여재의 강도와 비표면적이 어떻게 변화하는지 확인하고 아래 표 1에 나타내었다.

접촉여재는 평균압축강도 85N 이상, 표면적 10㎡/g 이상인 것이 바람직한데, 따라서 1차적으로 [제올라이트 : 패각분말 = (80~95) : (5~20)]인 제조예 2~5가 적절한 것으로 확인되었다.

하기 적용예에 의하면 인과 암모니아성 질소 동시 처리 관점에서는 [제올라이트 : 패각분말 = (85) : (15)]인 제조예 4가 가장 우수하였다. 이에 접촉여재 제조조건을 위한 보조 실험은 제조예 4를 중심으로 진행하였다.

2. 제조 조건을 위한 보조 실험

(1) 소성온도와 접촉여재 물성

소성온도를 달리한 것을 제외하고는 제조예 4와 같이 접촉여재를 제조하고 그 물성을 분석하였다(도 4 참조).

별도로 실험하지는 않았지만, 소성시간을 늘린다면 압축강도가 증가하고 비표면적이 감소할 것은 명백하다. 따라서 상기 표로 볼 때 적절한 소성온도는 800~1000℃, 바람직하게는 850~950℃, 더욱 바람직하게는 880~920℃인 것이 좋은 것으로 볼 수 있다.

(2) 탄산칼슘 첨가의 효과

패각분말의 일부를 탄산칼슘으로 대체하여 접촉여재를 제조하고 그 물성을 분석하였다(도 3 참조).

표에서 볼 수 있듯이 탄산칼슘 함량이 같은 비율일 때까지 압축강도는 조금씩 증가하고 비표면적은 조금씩 감소하는 경향이 나타났다. 이는 패각분말이 감소하면서 패각분말이 기여하는 비표면적 증대효과도 미세하게 감소하기 때문으로 판단된다.

패각분말과 탄산칼슘의 비율이 같아질 때까지의 접촉여재가 적절한 압축강도와 비표면적을 유지함을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명에 의한 접촉여재의 제조방법의 배합단계에서 "① 제올라이트 80~90중량%와, ② 패각분말 50~100중량%와 탄산칼슘 0~50중량%로 이루어진 패각혼합물 10~20중량%"라는 성분비율을 결정하였다.

3. 적용예 : 접촉여재의 흡착능 실험

위에서 선택된 제조예 2~5의 접촉여재와 제조예 1(대조군)에 의한 접촉여재의 암모니아 및 인산에 대한 흡착효과를 분석하였다.

① 인산 흡착효과 분석을 위해 300 mL 삼각플라스크에 각각의 접촉여재 5g씩 담고 PO₄ ^3--P 20 mg/L 용액 200 mL를 주입하여 150 rpm으로 교반하며 시간에 따른 농도변화를 확인하였다(표 4 참조).

② 암모니아 흡착효과를 위해 PO₄ ^3--P 20 mg/L 용액 대신 NH₄ ⁺-N 100 mg/L 용액을 사용하였다(표 5 참조).

표에서 볼 수 있듯이, 패각분말의 혼합비가 증가할수록 인 흡착성능은 증가하였으나 암모니아성 질소 흡착성능이 감소하였다. 인과 암모니아성 질소 동시 처리 관점에서는 [제올라이트 : 패각분말 = (85) : (15)]인 제조예 4가 가장 우수하였다.

4. 적용예 : 접촉여재를 이용한 파일롯 반응조 실험

다음 표 6과 같은 규격과 조건의 부유성장 A2O 반응조 후단에 본 발명에 의한 접촉여재(제조예 4)를 미생물담체 겸 여재층으로 적용한 질산화반응조로 이루어진 파일롯 규모의 수처리 시스템을 온도제어 가능한 컨테이너 안에 설치하였다(표 6 및 도 1, 도 2a, 2b 참조). 질산화반응조에는 입경 3~6mm인 본 발명에 의한 접촉여재를 80 L 충진하였다.

A2O 반응조 수리학적 체류시간은 약 5.5시간, 슬러지일령(SRT) 10일로 운전하였다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 대조구는 동일한 규격과 조건의 부유성장 A2O 반응조가 될 것인데, 결국 질산화반응조 유입수의 특성이 대조구의 처리값이 되고, 질산화반응조 유출수의 특성이 적용예의 처리값이 된다. 즉, 도 1에서 적색 * 표시된 부분(대조구 유출수=적용예 유입수)과 ** 표시된 부분(적용예 유출수)이 각각 대조구와 본 발명의 적용예 결과값이 된다.

운전기간 중 유입수, 유출수 및 질산화반응조의 암모니아성 질소 농도변화를 도 3a에, 암모니아성 질소 제거율을 도 3b에 각각 그래프로 도시하였다.

평균온도 12.71℃의 저온에서 부유성장(A2/O)공법(대조구)의 경우 질산화 효율이 크게 감소하여 암모니아성 질소 평균 유출농도 19.15 mg/L를 나타내었다. 본 발명에 의한 접촉여재가 적용된 질산화조를 거쳐 최종 방류되는 암모니아성 질소의 평균 농도는 3.89 mg/L를 나타내었다. 저온에서 질산화효율이 저감되며 질소처리에 문제를 나타내지만 본 발명에 의한 접촉여재가 적용된 질산화조를 추가함으로써 저온에서도 질산화 효율을 유지할 수 있었다. 이렇게 생성된 질산염의 탈질산화를 높은 효율로 수행한다면 겨울철에도 질소처리효율을 크게 끌어 올릴 수 있을 것이다.

대조구의 폭기조인 호기조와, 적용예의 폭기조인 질산화반응조에 존재하는 질산화 미생물의 함량과 종류를 분석하여 도 4에 도시하였다.

AOB(ammonia oxidation bacteria)에 해당하는 Nitrosomonas속의 AB00070_s종이 질산화반응조의 접촉여재에서만 14.58% 관찰되었고 부유성장 시료(대조구)에서는 0.01%만이 관찰되었다. NOB(nitrite oxidation bacteria)는 Nitrospira속의 Nitrospira defluvii종이 적용예에서 21.2% 관찰되었고 부유성장 시료(대조구)에서는 0.05%만이 관찰되었다. 따라서 겨울철 질산화 세균의 수가 부족한 부유성장공법들은 질산화 반응부터 문제를 나타내어 결론적으로 질소처리에 문제를 나타내게 되며, 본 발명에 의한 접촉여재를 채용한 질산화반응조를 추가함으로써 질산화 미생물을 농축성장 시키며 처리효율을 유지할 수 있음을 알 수 있다.

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2. ① 제올라이트 80~90중량%와, ② 패각분말 50~100중량%와 탄산칼슘 0~50중량%로 이루어진 패각혼합물 10~20중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 수처리용 미생물 접촉여재로서,
   상기 조성물을 고르게 혼합하는 배합단계;
   상기 배합단계를 거친 혼합물로 구형의 여재를 제조하는 성형단계;
   상기 구형의 여재를 250~350℃에서 2~4시간 건조하는 건조단계;
   이어서 800~1000℃로 승온하여 20~60분간 소성하는 소성단계;
   소성된 여재를 소정의 입경으로 분리하는 선별단계;
   를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 수처리용 미생물 접촉여재.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   입경이 1~10㎜인 것을 특징으로 하는 수처리용 미생물 접촉여재.
   
4. 청구항 2 또는 3에 의한 접촉여재를 사용하는 것을 특징으로 하는 질산화반응조.
   
5. 청구항 2 또는 3에 의한 접촉여재를 사용하는 것을 특징으로 하는 탈질탈인반응조.
   
6. ① 제올라이트 80~90중량%와, ② 패각분말 50~100중량%와 탄산칼슘 0~50중량%로 이루어진 패각혼합물 10~20중량%를 고르게 혼합하는 배합단계;
   상기 배합단계를 거친 혼합물로 구형의 여재를 제조하는 성형단계;
   상기 구형의 여재를 250~350℃에서 2~4시간 건조하는 건조단계;
   이어서 800~1000℃로 승온하여 20~60분간 소성하는 소성단계;
   소성된 여재를 소정의 입경으로 분리하는 선별단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 미생물 접촉여재의 제조방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 배합단계에서,
   분말원료 100중량부에 대하여 5~10중량부의 공극유도제를 추가하는 것을 특징으로 하는 수처리용 미생물 접촉여재의 제조방법.

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