KR20010010073A - 담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉미생물 제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수, 악취물질 및 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)을 생물학적으로 제거하는 담체충진형 생물여과장치(Biofilter)에서 담체에 과도하게 증식·부착된 미생물을 제거하는 방법에 관한 것이다.

상기 담체충진형 생물여과장치의 하단부로부터 역세척수와 공기방울을 혼합하여 담체사이의 공극 및 담체 표면에 부착된 미생물을 역세척 함으로써 과량의 미생물을 효율적으로 제거함을 목적으로 한다.

Description

담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉미생물 제거방법 {Method for Removing of Excess Biomass in Packed Bed Biofilter}

본 발명은 담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉미생물 제거방법에 관한 것이다. 담체충진형 생물여과장치는 미생물 담체에 미생물을 고정하여 폐수, 악취물질 혹은 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)을 생물여과장치내부로 통과시킴으로써 담체에 부착된 미생물에 의해서 폐수나 가스중의 오염물질을 정화하는 방법으로서 보다 상세하게는 담체의 표면에 미생물이 부착되어 생물막이 형성되고 오염물질이 담체층을 통과하면서 오염물질이 생물막에 확산되면 미생물이 오염물질을 분해 제거하는 방법이다. 최근 부착미생물막법에서는 미생물의 부착능력이 우수한 세라믹을 담체로 활용해 담체내에서의 미생물 농도를 높임으로써 폐수 혹은 폐가스중의 오염물질 처리효율을 현저히 향상시키는 프로세스가 개발되고 있는 한편, 미생물을 고농도화 해 오염물질의 처리효율을 현저히 높일 수 있기 때문에 생물여과법의 실용화가 급속도로 빨라지고 있다. 이러한 부착미생물막법은 높은 효율에도 불구하고 유입되는 폐수 혹은 폐가스중에 미생물의 기질로 이용되는 오염물질이 많아 과량의 미생물이 증식할 경우 하우징 내부에 충전된 담체 입자들 사이의 공극을 막게되어 오염물질의 처리효율이 감소하고 높은 압력손실로 인하여 동력비 손실과 처리유량과 풍량이 줄어들게 되어 전체적으로 폐수 또는 유기물의 처리효율이 낮아지는 단점이 있다. 그러므로 생물막량의 변동을 파악하고 생물막에 과량으로 부착된 미생물을 효과적으로 제거하는 방법이 필요하다. 도 1a는 세라믹 담체에 미생물이 부착되지 않은 표면을 나타낸 사진이고, b는 세라믹 표면에 과잉의 미생물이 증식·부착되어 세라믹 표면에 형성된 직경 2mm의 공극을 모두 막고 있음을 보여주고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 미국의 웨버 (Weber) 등은 휘발성 유기화합물을 제거하는 트리클링 에어 바이오필터 (trickling air biofilter)에서 염화나트륨(NaCl) 용액을 이용하여 미생물의 생육을 억제하는 방법(Appl. Microbiol, Biotechnol. 1995, 43, 365-369)을 고안하였고, 홀루바 (Holubar) 등은 질소와 인산의 공급을 중단하여 미생물의 생육을 억제하는 방법 (Presented at the USC-TRG Conference on Biofiltration, University of Southern California, October 1995; pp 115-121)을 사용하였으나 미생물의 생육장애가 발생하여 처리효율이 급격히 감소하는 결과를 초래하였다. 또한 미국의 소리알(Sorial)과 스미스(Smith) 등은 물을 이용한 역세척에 의해서 과잉의 미생물을 제거하는 방법(Environmental Science and Technology Vol.30, No. 5, 1996)을 고안하였으나 역세척 시간이 60분 이상 경과하고, 역세척수의 유속을 81∼190m/h로 하여 많은 폐수의 발생을 초래하였다.

유기물질을 분해하는 미생물은 성장속도가 빨라 바이오필터 충전제의 공극을 과량의 미생물이 막아 압력강하에 의한 동력비 상승 및 처리효율 감소가 발생함으로 효율적으로 적절한 미생물량을 조절하는 것이 담체충진형 바이오필터에 있어서 가장 중요한 요소이다. 종래의 부착미생물막법에서 과량의 미생물을 제거하는 방법으로써 물을 이용한 역세척 방법은 담체가 충전된 하우징 하단으로부터 상부로 물을 통과시키고 이때 발생하는 전단력만을 이용하여 미생물을 제거한다. 그러나 이와 같은 기존의 방법은 담체에 부착된 미생물을 효과적으로 탈리시키기도 어려울 뿐만 아니라 채널링(channeling) 현상이 발생하여 균질한 역세척 효과도 적고 역세척후에도 역세척시 형성된 채널(channel)에 의해서 높은 제거효율을 얻을 수 없다. 또한 과량의 역세척수의 사용으로 인해 동력비 상승 및 다량의 폐수발생 등의 문제점이 발생한다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 공기방울을 역세척수와 혼합하여 사용함으로써 경제적이고 효과적인 과잉미생물을 제거하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1a는 미생물이 부착되지 않은 세라믹 담체표면 사진.

b는 미생물이 과도하게 증식되어 세라믹 담체표면의 공극이 완전히 막힌 상태를 나타낸 사진.

도 2는 본 발명의 이론적 근거를 설명하기 위한 개념도.

도 3은 비교예 및 실시예 1-3에서 담체표면의 과잉미생물을 제거하기 위한 장치를 도시한 개략도.

도 4는 비교예 및 실시예 1-3의 방법에 따른 미생물 제거량을 탁도와 시간에 따라 나타낸 그래프.

도 5는 비교예 및 실시예 1-3의 방법에 따른 미생물 제거량을 VSS와 시간에 따라 나타낸 그래프이다.

상기에서 언급한 목적을 달성하기 위해 과잉 미생물 제거방법의 원리를 첨부 도면을 통해서 설명하면 다음과 같다. 도 2는 둥근 담체에 미생물과 유기물로 이루어진 생물막이 균일하게 형성되고, 역세척시 사용되는 공기방울의 모양 역시 둥글다고 가정하였을 때, 반지름이 r인 공기방울이 하우징 하부로부터 상부로 이동시 미생물 담체와 부딪치거나 소산(dissipation)되었을 때 발생되는 속도장을 간략화하여 표현한 것이다. 이 경우에 공기방울이 상승하다가 담체에 형성된 생물막을 만나면 터지거나 미끄러져 공기방울이 액상에서 차지하고 있던 부피를 물이 채우게된다. 이 때 균일한 상승 유속내에서 공기방울이 차지하고 있던 부피를 채우기 위한 물의 흐름은 생물막 표면에서 접선방향과 공기방울이 차지하고 있던 구의 중심방향으로 속도장이 생기게되며 이 속도장에 의해 미생물이 담체로부터 탈리된다. 이를 간략히 나타내면 공기방울은 담체(media)에 부착된 미생물을 탈리시키는 역할을 하고 물은 탈리된 미생물을 반응기 상부 배출구로 이동시키는 역할을 한다.

한편 본 발명에서 사용하는 세라믹 담체는 석탄회, 제철슬러그, 부산석고 등을 주원료로 하여 발포법으로 만든 다공성 세라믹 담체로서 비중은 0.35에서 0.45이며, 흡수성은 자중의 1.5배, pH는 8∼9 이고 생물막의 다량 형성을 위하여 50㎡/g의 비표면적을 유지토록 하였다. 다공성 담체이므로 생물막 형성 후 역세척시 높은 전단응력에 의해서도 다공 내의 생물막은 탈리가 되지 않는다.

하우징으로 유입되는 공기방울의 직경은 0.1cm∼2cm, 역세척수의 유속은 5m/hr∼40m/hr으로 조정하고, 역세척수와 공기방울의 혼합비율은 역세척수:공기방울=40∼90:10∼60으로 한다. 한편 역세척수의 유량은 하우징의 크기에 따라 조절한다.

역세척수의 유속이 5m/hr이하일 경우 속도가 낮기 때문에 공기방울에 의해서 탈리된 미생물덩어리(biomass)를 컬럼 상부 배출구로 이동시키는 캐리어(carrier)역할을 할 수 없으며 역세척수의 유속이 40m/hr 이상일 경우 필요이상의 동력비가 소요되며 다량의 역세척수가 하우징 외부로 배출된다. 즉 5-40m/hr의 유속이면 충분한 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에서 사용된 생물막 여과장치에서의 역세척 칼럼(Column)의 개략도는 도 3의 왼쪽에서부터 두 번째 컬럼과 세 번째 컬럼과 같다.

도 3의 컬럼은 네 개가 나타내어 있는데 왼쪽부터 첫 번째 칼럼은 물로만 역세척을 하는 경우, 두 번째 칼럼은 평균지름 1cm의 공기방울과 물을 병용하여 역세척을 하는 경우, 세 번째 칼럼은 평균지름 0.2cm의 공기방울과 물을 병용하여 역세척을 행하는 경우, 네 번째 칼럼은 가압탱크의 2/3를 물로 채우고 5기압에서 6시간 동안 가압하여 가압탱크의 물속에 용존공기가 과포화 되도록 한 후 이 과포화된 용존공기를 물과 혼합하여 역세척을 행하는 경우이다. 각 칼럼의 규격은 동일하게 하고, 담체의 유동을 막기 위하여 아래와 위에 방사형의 구멍직경이 5mm인 다공판을 설치하여 역세척시 담체의 팽창을 배제한다.

이하 본 발명을 다음의 비교예, 실시예 및 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들이 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

〈 비교예 〉 물에 의한 역세척

도 3에서 첫 번째 칼럼을 이용하여 물로 칼럼의 역세척을 하는 경우 물의 주입량은 0.6L/min, 유속은 10m/hr, 역세척 시간은 3분으로 하여 역세척수가 칼럼 윗 부분으로 유출되는 시점부터 10초 단위로 유출수 시료를 채취하여 탁도와 VSS를 측정하였다.

〈 실시예 1 〉 물과 직경 1cm의 공기방울 병용에 의한 역세척

도 3에서 두 번째 칼럼을 이용하여 물과 직경 1cm의 공기방울을 병용하여 칼럼의 역세척을 실시하였다. 물의 주입량(Qw)은 0.6L/min, 유속은 10m/hr으로 하고 공기방울의 주입량(Qa)은 0.4L/min으로 하였다. 시료 채취시간과 측정항목은 상기 비교예와 동일하게 하였다.

〈 실시예 2 〉 물과 직경 0.2cm의 공기방울 병용에 의한 역세척

도 3에서 세 번째 칼럼을 이용하여 물과 직경 0.2cm의 공기방울을 병용하여 역세척을 실시하였다. 물의 유속 및 유량, 공기방울의 주입량, 시료 채취시간과 측정항목은 실시예 1과 동일하게 하였다.

〈 실시예 3 〉 용존공기(직경 40㎛)에 의한 역세척

도 3에서 네 번째 칼럼을 이용하여 가압탱크에서 가압되어 용존공기가 과포화된 가압수와 물을 혼합하여 칼럼의 역세척을 실시하였다. 가압수의 주입량(Qd)은 0.4L/min, 유속은 10m/hr으로 하고 물의 주입량(Qw)은 0.6L/min, 유속은 10m/hr으로 하였다. 시료 채취시간과 측정항목은 상기 비교예와 동일하게 하였다.

〈 시험예 〉

상기 비교예 및 실시예 1-3의 방법으로 칼럼의 역세척 후에 배출되는 배출수의 시간별 탁도 측정결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에서 나타난 바와 같이, 직경이 0.2cm인 공기방울과 물을 병용하여 역세척시 탁도의 제거효율이 가장 좋은 것으로 나타났으며, 그 다음으로 직경 1cm인 공기방울과 물을 병용하는 경우, 고압에서 공기가 과포화된 용존 공기와 물을 병용하는 경우, 물로만 역세척하는 경우의 순서로 탁도 제거 효율이 좋은 것으로 나타났다. 한편 도 4에서 보면 역세척 초기 시료 채취를 시작한지 60초 후 네 가지 경우에 있어서 탁도의 농도가 500NTU 이하로 안정되는데, 이것은 각각의 경우 역세척의 효과가 더 이상 나타나지 않는 것을 의미한다.

도 4에서 나타난 시간별 탁도의 농도의 변화에서 같은 초기 조건의 여재 칼럼에서 공기방울의 크기가 여재 표면에서 생성되는 전단응력과 깊은 관계가 있으며, 같은 공기량이 주입되는 경우 작은 공기방울이 큰 공기방울보다 더 효과적이라는 것을 보여주고 있다. 그러나 용존공기는 너무 미세하고 상승속도가 작아서 여재의 표면에서 공기방울이 터지거나 합쳐지면서(Collape-Pulsing) 발생시키는 난류가 작은 것으로 분석된다. 특히, 물로만 역세척을 하는 경우에는 칼럼 내부에 난류에 의한 전단응력이 미약하여 초기 시료 채취시작 40초만에 탁도의 농도가 안정되어 더 이상 제거되지 않았다.

도 5는 상기 비교예 및 실시예 1-3의 방법으로 칼럼에서 역세척 후에 배출되는 역세척수의 시간별 VSS(Volatile Suspended Solid)를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5에 나타난 것과 같이 직경 0.2cm의 공기방울과 물을 병용하여 역세척한 것이 효과가 가장 좋은 것으로 나타났다. VSS의 변화양상은 도 4의 탁도 변화양상과 비슷한 것으로 나타났으며, 여재에서 탈리된 부유물의 양이 많은 것은 칼럼 내부가 깨끗이 세척되었다는 것을 나타낸다.

상기 시험예의 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 공기방울 역세척 방법은 짧은시간내에 효과적으로 담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉 미생물을 제거함으로써 반응기의 효율을 증대시킬 수 있고, 이에 따라 운전비를 낮출 수 있으며 폐수발생량을 최소화할 수 있다.

Claims (3)

1. 담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉 미생물을 제거하는 방법에 있어서, 역세척수와 공기방울을 혼합하여 하우징 하부로부터 상부로 흐르게 하여 담체 표면의 과잉 미생물을 탈리시키는 것을 특징으로 하는 담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉 미생물 제거방법.
2. 제 1항에 있어서, 역세척수의 유속은 5m/hr∼40m/hr인 것을 특징으로 하는 담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉미생물 제거방법.
3. 제 1항에 있어서, 공기방울의 직경은 0.1∼2cm이며 역세척수에 포함되는 공기방울의 혼합비율은 10∼60%인 것을 특징으로 하는 담체충진형 생물여과장치에서 담체표면의 과잉미생물 제거방법.