KR20090100514A

KR20090100514A - 고농도 질소와 유기물질을 포함한 배설물이 함유된 오수의강력처리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20090100514A
Application number: KR1020080025737A
Authority: KR
Inventors: 이건주; 이귀영; 제니퍼 원진 이; 제임스 연홍 이
Original assignee: 이건주; 이귀영; 제니퍼 원진 이; 제임스 연홍 이
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-09-24

Abstract

오수에 용해되어 있는 유기물질을 박테리아 또는 곰팡이로 분해한 후에 남은 난분해성 유기물(insoluble compost)을 완전히 제거하기 위한 생물학적 처리방법과 장비가 개발되었다. 그 처리방법의 단계는: 배설물에 함유된 오수처리를 위해, 특수조건하에서 배양한 조류와 규조류를 이용하는 단계; 조류와 규조류를 활성세포를 배양하기 위하여 칼슘염 (Calcium Salt)과 실리카염 (Silica Salt)을 첨가하는 단계; 용해된 유기물질을 분해자로 분해한 후에도 분해되지 않은 난분해성 유기물을 제거하는 단계; 각기 다른 조건하에서 배양한 조류와 규조류를 이용하여, 3~1,000 단계로 구성된 연속다단계 배양탱크에 오수를 연속적으로 흘려 통과시켜서, 오수에 함유된 난분해성 오염물질을 제거하는 단계; 인위적인 조명을 설치하여, 조류와 규조류를 효과적으로 배양하기 위한 배양 효율개선 단계: 조류와 규조류를 배양에 적합한 온도로 유지하기 위해 보온하는 단계; 및 오수에 용해된 질소비료를 강제로 공기 중에 방출하지 않고, 질산염가스가 광합성되도록 조류와 규조류를 배양하는 단계로 구성된다.

오수, 분해, 조류, 규조류, 칼슘염, 실리카염, 연속다단계 배양탱크, 조명, 광합성

Description

고농도 질소와 유기물질을 포함한 배설물이 함유된 오수의 강력처리 장치 및 방법{Apparatus and Method of Intensified Treatment for the Wastewater Containing Excreta with Highly Concentrated Nitrogen and COD}

현재의 발명은 고농도 질소와 용해된 유기물질로 오염된 배설물에 함유되어 있는 오수의 고도 처리에 관련된 것이다. 특히, 특별한 환경하에서 배양한 조류 (algae) 와 규조류 (diatoms) 같은 식물을 이용하여, 오수에 남아있는 비료성 질소와 유기물질을 효과적으로 제거하는 방법과 장치에 관한 것이다.

자연계에서 생물이 생존하는 데에는 3대 필수 요소 즉, 물, 공기 그리고 흙 을 필요로 한다. 인간의 활동으로, 우리의 환경은 해마다 오염되어 가고, 마실 물과 숨 쉴 공기에 대해서도 걱정을 해야될 시점까지 이르렀다. 이산화탄소 (CO2), 산화질소 (NOx) 또는 메탄가스와 같은 대기오염물질의 증가로 인해, 지구의 기후는 불안정하게 되었다.

더군다나, 독성 오폐수가 산업공장이나 농장에서 충분한 오염물질을 처리하지 않은 채로 우리의 식수원으로 방출되고 있다.

하기에 열거된 사실의 목록들은, 가축농장에서 주로 발생하는 수질 오염물질 로 많은 생명을 위협하고 있다.

?한국 내에서 700만 톤 이상의 축산분뇨가 아직도 바다에 버려지고 있다. 일부는 분뇨종말처리장에서 처리되고 있지만 배출수기준이 COD 500ppm, TN 50ppm으로 하천 오염의 원인이 되고 있다. 음식쓰레기를 처리하면 남는 음폐수도 처리방법이 없어 그대로 바다에 버려지고 있다.

?축구장 여러 개 크기만큼 큰 방대한 개방된 벌판의 가축분뇨저장시설이 누출되고 범람이 되는 경향이 있다. 1995년, 북캐롤라이나에 있는 8 에이커의 돼지분뇨저장시설 둑의 붕괴로 2천5백만 갈론의 분뇨가 뉴강(New River)으로 쏟아져 들어갔다. 이 범람으로 약 일천만 마리의 물고기가 죽고, 364,000 에이커의 조개 채취 해안 습지가 폐쇄되었다.

?1995년부터 1998년 사이, 미국 10개 주 내의 가축 비육장에서 1,000건의 범람 또는 오염사건이 발생하였고, 퇴비관련으로 200건의 물고기 폐사가 있었고, 이 결과로, 대략 일천삼백만 마리의 물고기가 죽었다.

?폐기물처리 동안에 가스형태로 방출되는 암모니아와 질소관련 독성거품은, 땅이나 물속에 버리기도 전에 300 마일 이상 공기를 통해 날아가므로, 물고기의 폐사와 조류의 번식을 유발하는 원인이 된다.

위에 열거한 예들은, 지금 음식물쓰레기 처리나 가축농장들이 직면한 셀 수 없는 수질오염 문제들의 극히 일부분이다. 현재의 기술로는, 생성되는 유기물질 및 질소의 양이 너무 많아서 오염의 원인이 되고 있다.

현재 사용되고 있는 돼지농장의 분뇨처리는 활성오니법을 사용하고 있는데 처리 후에 다량의 유기물과 질소비료 및 인비료가 남아있다.

많은 연구에도 불구하고, 돼지배설물을 위한 완전한 처리방법은 아직 개발되지 않았다. 그 결과 아직도 돼지배설 오수는 식수원 오염의 원인이다. 농도가 짙은 질소를 저하시키기 위해, 생물학적 필터 여과기를 개발하기 위한 심도있는 연구가 진행되고 있다.

다른 한편에는, COD의 농도를 저하시키는 생물학적 필름을 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 한 연구에서 생물막을 이용하여 COD를 1500 mg/L에서 380 mg/L로, 65%까지 저하시켰다는 보고가 있다.

비록 많은 연구가 오폐수처리 분야에서 진행되고 있지만, 수질오염을 방지할 수 있는 완벽한 오수처리 해법은 아직 개발되지 않았다. 오염물질을 줄이려는 무한히 많은 노력에도 불구하고, 현재의 기술은 증가하는 오염을 효과적으로 방지하기에는 적합하지가 않다.

상기에서 언급한 문제들을 극복하기 위하여, 물속에 녹아있는 유기물질과 질소 비료, 인비료를 완전히 제거하기 위한 생물학적 처리방안이 준비되었다.

본 발명의 목적은, 하수나 폐수에 녹아있는 유기물질을 박테리아나 곰팡이와 같은 분해자에 의해 분해한 후, 오수에 남아있는 처리되지 않은 오염물질을 완전히 제거하기 위한 생물학적 처리장치로서; 특수조건하에서 배양한 조류와 규조류를 이용하여, 분뇨성분이 함유된 오수를 처리하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

보다 구체적으로는, 칼슘염 (Calcium Salt)과 실리카염 (Silica Salt)을 첨가하여 조류와 규조류가 분뇨성분을 쉽게 흡수하게 하는 활성세포를 만들어 처리하는 방법으로, 물속의 유기물질을 박테리아나 곰팡이에 의해 분해한 후에, 분해되지 않고 남아있는 오염물질이나 동물의 분뇨에 함유되어 기존 처리방법으로 처리되지 못하는 오염물질을 처리하는 방법이다. 각 깊이 20cm~500cm, 가로 10~1,000cm, 세로 10~100cm 를 갖으며, 각기 다른 조건하에 배양한 조류(algae)와 규조류(diatoms)를, 3~1,000단계로 구성된 연속다단계 처리탱크에 오수를 연속적으로 흘려서 통과시켜, 오수를 점진적으로 희석시키면서, 함유되어 있는 오염물질을 제거하는 수단이다.

추가적으로, 인위적인 조명을 설치하여, 조류와 규조류를 효과적으로 배양 하기 위한, 배양 개선장치로서, 플라스틱, 비닐 또는 유리로 조류와 규조류의 배양시설에 적합한 온도로 유지하기 위한 보온장치; 및 오수 속에 녹아있는 질소계 영양분을 강제적으로 공기 중에 방출하지 않고, 질산염 가스와 광합성하도록 조류와 규조류를 배양하는 장치를 부수적으로 보완하여 구성할 수 있다.

즉, 이상의 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따르는 오수의 강력처리 장치는, 오수에 녹아있는 유기물질을 박테리아나 곰팡이와 같은 분해자에 의해 분해한 후에 오수에 남아있는 난분해성 유기물을 완전히 제거하기 위한 생물학적 처리장치로서의 오수의 강력처리 장치로서, 특수조건하에서 배양한 조류(algae)와 규조류(diatoms)를 이용하여, 배설물에 함유된 오수를 처리하는 수단; 칼슘염 (Calcium Salt)과 실리카염 (Silica Salt)을 첨가하여 조류와 규조류에 활성세포를 배양하는 수단; 용해된 유기물질(COD)을 박테리아나 곰팡이에 의해 분해한 후에도, 배설물과 오수에 함유되어 분해되지 않은 난분해성 유기물을 제거하는 수단; 각기 깊이 20cm-500cm, 가로 10cm-1000cm, 세로 10cm-100cm를 갖으며, 오수를 연속적으로 희석시키기 위하여, 각기 다른 조건하에서 재배한, 3~1,000단계의 구조로 된 연속다단계 배양탱크에 오수를 통과시켜, 오수에 함유된 오염물질을 제거하는 수단; 인위적으로 조명을 설치하여, 조류와 규조류를 효과적으로 배양하기 위한, 배양 개선장치: 플라스틱, 비닐 또는 유리로 조류와 규조류의 배양시설에 적합한 온도로 유지하기 위한 보온장치; 및 오수 속에 녹아있는 질소계 영양분을 강제적으로 공기 중에 방출하지 않고, 질산염과 탄산가스 인으로 광합성하도록 조류와 규조류를 배양하는 장치; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 이상의 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따르는 오수의 강력처리 방법은, 오수에 녹아있는 유기물질을 박테리아나 곰팡이와 같은 분해자에 의해 분해한 후에 오수에 남아있는 난분해성 유기물을 완전히 제거하기 위한 생물학적 처리방법으로서의 오수의 강력처리 방법으로서, 배설물에 함유된 오수처리를 위해, 특수조건하에서 배양한 조류(algae)와 규조류(diatoms)를 적용하는 단계; 조류(algae)와 규조류(diatoms)를 활성세포로 배양하기 위하여 칼슘염 (Calcium Salt)과 실리카염 (Silica Salt)을 첨가하는 단계; 용해된 유기물질(COD)을 박테리아나 곰팡이 같은 분해자로 분해한 후에도, 배설물과 오수에 함유되어 분해되지 않은 난분해성 유기물을 제거하는 단계; 및 연속적으로 오수를 희석시키기 위하여, 각기 다른 조건하에서 재배한, 3~1,000단계의 구조로 된 연속다단계 배양탱크에 오수를 통과시켜, 오수에 함유된 오염물질을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 인위적으로 조명을 설치하여, 조류와 규조류를 효과적으로 배양하기 위한, 배양 효율개선 단계: 플라스틱, 비닐 또는 유리 중의 적어도 하나로 말-조류와 규조류의 배양시설에 적합한 온도로 유지하기 위해 보온하는 단계; 및 오수 속에 녹아있는 질소계 영양분을 강제적으로 공기 중에 방출하지 않고, 질산염 가스와 탄산가스 인 등으로 광합성하도록 조류와 규조류를 배양하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 현존의 오수정화 처리과정을 개선하고, 수질오염과 공기오염을 함께 해결할 수 있으며, 저렴한 비용으로 거의 완벽한 정수 처리를 할 수 있다. 또한, 수질오염 물질인 COD와 질산염과 공기오염 물질인 CO₂ 를 병행하여 제거함으로써 많은 양성적 결과를 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 최적 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명인 연속다단계 오수처리 탱크이고, 도 2 는 본 발명인 조류와 규조류 안에 충분한 역량의 세포를 배양하기 위한 재배시설의 구조물이다.

도 3 은 돼지분뇨처리를 비교하기 위한 자외선 스캔 (UV scanning) 도면이고, 도 4 는 돼지분뇨처리를 비교하기 위한 가시광선스캔 (visible ray scanning) 도면이고, 도 5 는 돼지분뇨를 조류와 규조류로 처리하여 일주간격으로 진행과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이고, 도 6 은 소나무와 참나무 혼합퇴비의 부식산을 조류와 규조류로 처리하여 일주 간격으로 진행과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이고, 도 7a 는 커피잔유물 오수를 조류와 규조류로 처리하여, 일주간격으로 진행 과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이며, 도 7b 는 커피잔유물 오수를 박테리아와 곰팡이로 처리하여, 일주간격으로 진행과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이다.

도 8 은 종래 기술에 의한 돼지 분뇨를 처리한 결과를 표 1에, 본 발명과 종래기술로 처리한 결과의 비교를 표 2에 보여준다.

생태계는 생물학적 공동체와 무생물학적인 환경으로 구성되어진 역동적 존재이다. 생태계의 구성원인 생명체와 무생물적의 구성요소와 구조는 상호연관된 환경 함수의 상태와 수로서 결정되어 진다. 자연생태계의 생물인자와 무생물적 인자, 즉 식물, 동물과 미생물과 환경으로 이루어진다. 생태계를 통하여 에너지와 물체의 이동은 생물권의 기능에 필수인 순환과 복잡한 상호관계의 에너지, 물, 탄소, 산소, 질소, 인산, 유황, 등에 의해서 조정된다.

생물요소는 조류(algae), 규조류(diatoms)와 포토-박테리아와 같은 생산자 에 속하는 식물, 소비자에 속하는 동물, 그리고 분해자에 속하는 박테리아 곰팡이 등 3가지로 구성되어있다. 자연에서 식물과 동물로 구성된 요소는 순환을 위해 박테리아와 곰팡이종에 의해 분해되어 진다. 비록, 분해자가 생산자와 소비자를 분해한다 하더라도, 항상 약간의 부식산(Humic acid)은 남게 된다. 도처의 환경에 존재하는 풍부한 부식산은 숲과 흙속에서 자생한다. 부식산은 수생계에 녹아있는 총 유기물질의 95% 이상을 구성하고 있으며, 때로는 무기이온존재의 밀집보다 더 많거나 또는 같게 구성되어 진다.

지난 150년간 유기물질에 관한 화학에 대하여 많은 지식이 습득되어 왔다. 스프렌걸 (Sprengel) 의해서 유기물질에 관해 일부가 일찌기 연구되었고, 아직까지도 기본방법의 형태로 현재도 사용되고 있다. 이 방법은 희석한 수산화나트륨 (2%)을 불용해된 알카리식물 잔재물로부터 콜로이드솟(Colloidal Sot)과 같은 부식토를 분리시키는데 이용한다.

근래의 관심사는 환경의 오염물질로 의약품, 에스트로겐, 계면활성제, 조류, 푸른 곰팡이독소, 그리고 다이옥신 같은 내분비물 교란 화학약품 (EDC) 등이다. 추가로, 살충제, 특히 살충제의 변형제품들, 병원성 미생물, 오염물질의 운반체 같은 기능을 하는 부식물질(HS)과 수처리에서 생산되는 침전물 등이다

만일, 부식산이 아이오다인(iodine)과 결합한다면, 식수에 심각한 문제를 야기한다.

사람 또는 동물의 배설물에 포함된 오수를 처리한 후에도, 부식산은 난분해성(insoluble)이라 처리한 물에 남아 있다. 사람의 경우, 사람은 음식물을 먹고 소화하여 영양분을 섭취한 후, 나머지 물질은 대장에서 수많은 세균의 증식과 분해 후에 배설한다. 배설 후에도 정화조나 하수관로에서 수많은 박테리아와 곰팡이가 번식하여 배설물을 분해한다. 부식산의 생산과정은 동물이나 사람의 경우와 유사하다. 용해된 유기물질은 오수처리 과정을 통하여도, 완전히 제거되지 않기 때문에, 부식산으로부터 유래하는 유기물질이나 분뇨로부터 유래하는 유기물질은 수질오염 문제의 원인이 된다.

일세기 전부터, 박테리아와 곰팡이는 배설물에 함유된 오수를 분해하는데 사용되어 왔다. 사람의 위와 장기내의 음식물은 소화액에 의해 분해되고, 직장운동으로 배설된 배설물은 자연계에 존재하는 박테리아와 곰팡이에 의해 분해된다.

일반적인 경우, 오수에 유입되는 일부의 용해성 유기물질은 박테리아와 곰팡 이에 의해서 분해되는데, 분해되지 못하는 것은 시커먼 덩어리의 유기물질 잔유물을 남긴다. 그와 같이 용해되지않는 유기물질의 잔유물을 제거하기 위해서는 방대한 규모의 비싸고 복잡한 설비시설이 요구된다.

활성슬러지 방법에 있어서, 박테리아와 곰팡이는 오수에 녹아있는 유기물질을 분해한다. 분해과정에서 증식한 세균과 곰팡이 원생동물 등은 슬러지로 남게 된다. 분해 후의 물속에는 난분해성 유기물질 (BOD, COD)과 질소비료, 인비료 등이 남게 된다. 오수 속에 남은 난분해성 오염물질은 박테리아와 곰팡이로는 분해가 어려운 수백 종의 저분자 물질로 구성된다.

현재, 발명의 목적은 상대적으로 낮은 비용으로 오수에 남아있는 난분해성 오염물질과 질소비료 인비료를 처리하는 신기술을 마련하는 것이다. 원래 식물종에 속하는 조류(algae)와 규조류(diatoms)를 특별한 환경하에서 배양하여 오수에 남아 있는 오염물질인 난분해성 유기물질을 흡수하게 한다.

오늘날까지, 과학자는 박테리아와 곰팡이는 생태계에서 분해자에 속하고 또 분해자로 활동하는 것으로 이해한다. 그러므로, 과학자는 박테리아와 곰팡이를 배설물을 분해하는데 사용한다. 그럼에도 불구하고, 현재의 연구를 통하여 새로운 발견은 박테리아와 곰팡이가 분해자일 뿐만 아니라, 소비자이기도 하며, 생태계에서 사람과 유사하게 활동을 한다. 자연계에서 산림의 낙엽 등이 박테리아와 곰팡이에 의해 분해된 후 남은 유기물은 인간의 배설물과 유사하다.

우리 위장 안의 음식은 소화효소에 의해 분해되어, 영양분은 우리 몸 안으로 흡수된다. 우리 몸 안으로 흡수된 영양분은 효소 또는 호르몬에 의해 혈관 세포 안에서 더 분해되며, 최종으로 남는 잔유물은 오줌으로 배설된다. 음식물은 우리 몸안에서 소화된 후 박테리아에 의해 분해되어 배설물로 바뀐다. 배설물(똥)과 오줌의 혼합물은 정화조 내에 있는 더 강력한 박테리아에 의해 분해되어진다.

따라서, 과학자는 폐기물을 처리하기 위해 박테리아와 곰팡이를 사용한다. 오늘날까지, 조류(algae)와 규조류(diatoms)는 폐기물을 처리하는데 별로 사용되지 않았다. 더군다나, 동물의 배설물은 동물의 배 안에서 일단 분해되므로, 더 강력한 박테리아와 곰팡이에 의해 더 분해되려면 긴 시간이 걸리고, 불용성 유기물질로 자연에 오랜 시간 남아있게 된다.

비록, 돼지배설물의 상업적 처리는 고체 덩어리를 분리한 후 생물학적 처리를 포함하고 있지만, 방출되는 처리한 물에 아직도 300~500 ppm 농도의 유기물질이 남아 있으며, 이 유기물질은 난분해성으로 환경에 배출된다. 총 질소량은 10-40 ppm 수준으로, 유기물과 질소는 식수원을 오염시키기에 충분하다.

종래의 처리방법은 돼지배설물을 모아서 고체부분과 액체부분으로 분리한다. 분리된 액체부분은 활성오니 처리방법에 의해 우선적으로 처리하며, 그 후, 울트라 여과기를 통하여 처리된 액체부분을 방출한다.

또한, 오수 또는 하수에 함유된 사람의 배설물도 처리하기 어렵다. 난분해성 유기물질인 혼합물 때문에 수질오염의 원인이 된다. 하수처리장에서는 활성오니 처리 방법을 사용하여 유기물질과 질소성분을 제거한다. 그러나, 오수에 너무 많은 양의 난분해성 유기물질이 함유되어 있기 때문에 처리효율은 매우 불량하다. 그러므로, 많은 양의 유기물질과 질소를 제거하기 위해, 하수처리장 시설의 규모가 방대하게 커지게 된다.

본 발명에 따른 새로운 하수처리시설은, 다양한 크기를 가지는 3~1,000단계 (특히, 도 1에서의 경우에는 5단계) 로 된 연속다단계 처리탱크로 구성된다. 오수는 연속적으로 아래로 흘러내리는 동안에. 점진적으로 처리되며, 방출되는 오수는 조류와 광합성에 의하여 정화한다. 각각의 정화탱크에는 흙 70%, 조개 가루 25%와 불용성 인산 5%의 혼합으로 채워진다.

도시 하수 또는 오수에서 고형물을 분리한 후, 수거 집합조를 통과시키며, 처리수에 50ppm 의 칼슘염 (Calcium Salt: Ca(OH)₂) 을 첨가한다.

칼슘염과의 반응으로 인하여, 조류(algae)와 규조류(diatoms)의 세포막은 투과성이 증대되어 처리수에 용해되어 있는 난분해성 유기물을 쉽게 흡수하게 된다. 일단, 조류와 규조류가 남은 유기물을 흡수하면, 난분해성 유기물은 조류와 규조류의 세포 내부에서 증식에 사용된다.

특수한 환경 하에서, 조류와 규조류와 같은 식물은 특이한 가용성 세포를 형성하는 경향이 있다. 이러한 식물들은 박테리아가 분해하지 못한 난분해성 유기물질들을 흡수할 수 있다. 비록 칼슘염을 처리탱크에 첨가하지 않아도, 조류와 규조류는 잘 번식한다. 그렇지만, 난분해성 유기물질들은 현저하게 줄어들지 않는다는 사실을 발견하였다.

규조류는 번식에 실리카(Silica)가 요구되므로, 흙을 실리카 공급과 부착기질로 사용된다. 조류와 규조류는 번식하고 생존에 필요한 탄수화물을 광합성에 의 하여 생산하는 독립적 영양분 종의 분과에 속한다.

현재의 연구에 따르면, 조류와 규조류가 질소비료와 탄산염을 흡수하여 광합성을 하는 동안, 조류와 규조류는 오수 속에 있는 난분해성 유기물질을 흡수하는 것을 새롭게 발견하였다. 또한, 조류와 규조류의 성장에 따라, 부식산으로 알려진 난분해성 유기물질의 95% 이상을 흡수하여 이용하는 것으로 확인되었다.

이 발견은 신개념의 처리방법에 적용된다. 현재의 발견 덕분으로, 조류와 규조류를 사용하여 오수 속의 난분해성 유기물질을 효과적으로 회수하는 것이 가능해졌다.

처리과정은 다음과 같이 진행한다: 하수 또는 오수를 이식한 조류와 규조류 등과 함께 여재물질이 담긴 연속다단계 배양탱크 아래로 흘려 내린다. 이식한 조류와 규조류가 완전히 다 자라는 데는 5~7일이 걸린다. 각 배양탱크에는 간격벽이 있어, 연속적으로 오수가 물줄기를 따라 넘쳐 흘러내리게 된다. 오수 안에 오염물질의 농도에 따라 고농도에서 저농도 수준에 맞는 몇 가지 다른 종류의 조류와 규조류를 배양한다. 처리하려는 오수의 화학적 산소 요구량 (COD)은 최초의 처리단계에서 60ppm 수준을 갖기를 추천한다.

오수 물줄기를 따라 오수의 농도가 변화하므로, 배양한 조류와 규조류의 환경조건은 오수처리 단계를 따라 상이하다. 자연천에서 이식한 조류와 규조류는 오수와 접하게 되면서, 쉽게 풍부하게 자란다.

햇볕은 조류와 규조류를 배양하는데 좋다. 그러나, 야간에는 인위적 조명과 보온시설의 설치가 필요하다. 유리, 플라스틱 또는 비닐 커버는 조류와 규조류의 배양시설에 적합한 온도를 유지하고 보호하는데 사용할 수 있다. 조류와 규조류의 배양을 위해 소량의 공기를 처리탱크에 주입하여 광합성을 촉진시킨다. 이와같은 본 발명의 처리방법으로, 수질오염 문제를 해결하기에 충분히 깨끗하게 오수를 정화하는 결과를 얻을 수 있다.

도 2에서, 부재번호 I는 개폐가능한 블랭킷 타입의 차폐체이며, G는 유리이고, L은 램프와 같은 광원이며, W는 권취기구이고, S는 에어 공급을 위한 스티뮬레이터(stimulator), 그리고 T는 다단계배양탱크이다.

새로운 처리방법과 구조에 관련해서, 본 발명은 종래의 오수처리 방법에 조류와 규조류를 접목한 것으로, 불충분한 오수처리를 보완하여, 완벽에 근접하는 오수처리 기술을 개발하는 것이다. 종래의 오수처리방법은, 질소비료 성분을 대기중에 배출하기 위하여 탈질(de-nitrification) 방법을 도입하였다. 이러한 과정은 고가의 처리시설이 요구된다.

어찌되었든, 종래의 탈질 처리 방법에 의한 질산염 감소량은 충분하지 않아 하천오염의 원인이 되어 왔다. 새로운 처리방법은 고비용 발생문제와 불충분한 오수처리 기술 문제를 해결해준다.

새로운 방법의 처리과정은 생태계 균형의 개념과 잘 맞는다. 물에 있는 수초나 조류, 규조류에 의해 합성과정이 진행되는 동안, 생태계의 총 질소량 (TN)은 흡수되어 단백질로 전환되면서 감소한다. 조류와 규조류는 NO₃, NH₄ 와 CO₂ 같은 오수 속에 폐생성물을 양분원으로 흡수한다. 조류와 수초가 자람에 따라, 오수 속에 NO₃, NH₄ 와 CO₂ 가 제거된다. 그러므로, O₂ 가 공기 중으로 방출되는 동안, 대기오염의 주범인 CO₂와 수질오염의 주범인 NO₃ 와 NH₄ 가 자연적으로 제거된다.

첨가물을 처리하는 오수의 균형을 위해서 사용한다. 종래의 오수처리체계는, 물이 최종과정까지 흘러가도 산소의 결핍으로 수중 생명체가 생존할 수 없는 죽음의 지역(dead zone)을 만들어 아직도 높은 산소를 요구(COD)하는 부분이 남게 된다.

본 발명에 의한 새로운 처리법 과정은 물속에 높은 산소를 요구(high COD)하는 부분과 질산염을 감소시키므로, 죽음의 지역(dead zone)이 발생하는 문제를 해결한다. 그러므로, 처리된 물은 마지막 처리과정에서는 거의 샘물과 같은 수질이 된다.

도 1 에서 보는 바와 같이, "0"으로 표시된 병은 종래의 생물학적 처리방법으로 처리한 돼지 분뇨가 담겨있다. "1"로 표시된 병 안에는, 새로운 처리방법을 적용한 후, 경미한 진전이 생긴 것이다. 몇 단계 후, "4"로 표시된 병 안에는 현저하게 맑아져, 전처리한 수도물과 거의 같은 수준의 수질에 가까워졌다.

돼지 분뇨는 사람보다 3배 이상 독성이 있어서, 심각한 수질오염 문제의 원인이 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 종래의 기술로도 오수에 있는 오염물질의 98~99% 정도는 제거할 수 있다. 그러나 남은 1-2%는 하천오염의 주범으로 되어 왔으며 , 이를 피하기 위하여 대부분 분뇨를 바다에 버려왔다. 그러나, 본 발명을 사용하면, 완료한 처리수에 오염물질이 거의 전부 제거된다.

도 8의 표 1 에는, 종래의 오수처리 방법에서 발견한 가장 높은 효율적인 방법을 대표하는 실험 데이터를 보여준다. 이 연구에서, 중간 테스트는 한국에 있는 돼지분뇨 처리시설에서 수집하였다. 오수샘플은 산소요구량 (COD) 350 mg/l, 총 질소 (TN) 60 mg/l, 생물산소요구량 20 mg/l의 수준을 갖는 완전 처리공정을 거친 처리수를 사용하였다.

비록, 오수처리공정을 완전히 거쳤더라도, 종래기술에 의해 처리된 물에는 아직도 식수원을 위협하기에 충분한 수준의 산소요구량 (COD)과 고농도 질소가 포함되어 있다. 종래기술에 의해 오수에 있는 오염물질을 전 처리식수 수준으로 낮추려면, 터무니없이 비싼 비용이 든다.

도 3 에서 보는 바와 같이, 이 실험은 유입과 방출되는 돼지 분뇨의 자외선 (UV), 가시광선분석을 나타내고 있다. 자외선(UV) 분석에서 보여주는 많은 뾰족한 피크들은 오수에 어떤 종류의 불순물이 있는 부분을 나타내준다. 광선분석의 피크 들과 둘러싸인 면적 부분은 돼지 분뇨를 종래의 생물학적 처리방법으로 처리 후, 스캔한 결과를 나타낸다. 파란색 부분은 현재연구의 새로운 방법으로 처리된 샘플을 스캐닝한 결과를 보여준다. 브라운색 부분은 대부분의 잔여 오염물질이 제거되었다. 더 나아가서, 파란색 부분의 남은 잔여 오염물질은 처리기간을 더 연장함으로써 더 감소시킬 수 있다.

이 연구로, 전여과 공정을 거치고도 잔류 오염물질이 상당량 남은 처리수를 적합한 비용으로 잔류 오염물질량을 1~3 mg/l 이하로 감소시켜, 전처리 상수도 수 질 수준으로 처리하는 진보된 방법을 발견하였다. 비록, 본 발명이 종래의 처리장치 체계와 비교하여 추가비용이 10% 더 들어가지만, 본 발명은 현존의 처리방법 체계에 드는 고비용을 상쇄하게 될 것이다. 결론적으로, 전반적인 비용이 종래의 오수처리 과정 체계와 비교하여 현저하게 감소될 것이다.

도 4 에서 보는 바와 같이, 이 실험은 유입과 방출되는 돼지 분뇨의 가시 광선 분석을 나타내고 있다. 이 가시광선분석은 오수에 얼마나 많은 색소성 물질이 있는지를 나타낸다. 도면은 주파수 400.0 nm 에서 흡수성이 1,500 을 갖는 유입수를 보여준다. 같은 주파수에서, 배출수의 흡수성은 0.020으로 현저하게 감소한다. 새로운 처리방법을 채용하여 처리한 후, 전체 노란색 부분은 수평축을 따라 엷은 파란색으로 감소하여 흐려진다. 2 번 증류한 가장 순수한 물은 수평축을 따라 일직선이 된다.

새롭고 가장 효율적인 오수처리방법을 전세계에 현존하는 오수처리시설에 적용할 때, 지금의 수질오염 위기와 온실가스위기는 해결할 수 있을 것이다. 이 연구는 현재 불충분한 오수처리과정을 다음과 같이 결론을 발표한다:

1. 종래의 처리공정체계로 이미 99% 까지 여과한 처리수에 남아있는, 화학적 산소 요구량 (COD) 물질과 질산염을 현저하게 감소시킨다.

2. 물속에 있는 많은 양의 화학적 산소요구량 (COD) 물질과 질산염을 감소시켜, 오랜 기간 조류의 번창과 적조발생을 방지하도록 도와준다.

3. 공기 중에 이산화탄소량을 현저하게 감소시킨다.

따라서, 현재의 연구로 다음과 같은 결론을 얻게 되었다:

1. 현재의 돼지분뇨처리는 COD 300-500 mg/l, TN 10-40 mg/l 수준의 범위에서 처리된다. 이 연구를 통하여, 활성오니법으로 처리된 폐수를 한번 더 처리하여, COD<3 mg/l, TN<1 mg/l, 와 BOD<1 mg/l 로 99% 감소의 성취가 가능한 것을 발견하였다. 이 처리 과정기간을 길게 함으로써, 오염물질의 량을 낮추어 수질을 더 향상시킬 수 있다.

2. 돼지분뇨 폐수에서 발견되는 분해가 되지않는 난분해성 물질도 조류와 규조류에 의해 완전 회수가 가능한 것을 발견하였다. 자외선(UV)뿐만 아니라, 가시광선에서도 보여주는, 많은 다른 오염물질의 대부분도 제거되었다. (참조: 첨부된 테스트표와 그래프)

3. 조류와 수초의 수가 증가할수록 그들의 영양원으로 TN의 사용이 증가되고, 무기물질이 사전 처리한 수돗물 수질의 수준으로 제거된다.

4. 종래의 방법으로 처리된 오수에 남아있는 오염물질의 량을 99% 이상 더 감소시키는데 드는 비용이, 현존의 처리체계 장비와 비교하여 추가비용을 최소화할 수 있다.

5. 장기간, 새로운 오수처리방법을 적용하면, 녹조와 적조의 발생을 해결할 수 있다.

6. 수처리과정에서 수거되는 조류와 수초의 부산물은 비료처럼 대체 공급원이나 대체 에너지물질로 사용할 수 있다.

현재, 한국에서는 해마다 5십만 톤 이상의 질소가 함유된 처리수가 하천을 통해 바다로 방출된다. 그러므로, 이 분량의 질소를 조류나 식물로 회수를 한다면, 공기 중에서 5천만 톤의 CO₂가스를 수거하는 결과를 얻는다. 이 분량은 현재 한국정부의 목표 수거량 1천만 톤보다 5배나 많은 양이다. (조류의 C:N 비율을 30:1로 가정하여, CO₂ 가스로 환산해서 약 100배가 된다.)

그러므로, 본 발명을 적용한다면, 환경에 있는 물과 공기에 미치는 충격은 막대하게 된다. 이 연구는 현존의 오수정화 처리과정을 개선하고, 수질오염과 공기오염을 함께 해결할 수 있음을 발견한다. 본 발명은 저렴한 비용으로 거의 완벽한 정수 처리를 할 수 있다. 또한, 수질오염 물질인 COD와 질산염과 공기오염 물질인 CO₂ 를 병행하여 제거함으로써 많은 양성적 결과를 얻을 수 있다.

실시예 1: [Implementing Example 1]:

한 동물농장 시설에 있는 5,000 마리의 돼지가 동물의 배설물 처리에 적용되었다. 수거되는 동물의 배설물은 하루에 30톤이며, 침전제를 첨가하여 고체덩어리와 액체부분을 분리, 예비처리를 한다. 액체부분은 활성오니방법으로 COD 542ppm, TN 96ppm 이 되도록 24시간 동안 예비처리를 한다. 다음, 칼슘염 50ppm (Ca++)을 예비처리한 오수에 첨가한다. 그 후, 예비처리한 오수를 배양한 조류와 조개가루, 흙과 인산석을 혼합하여 채운 다단계 여과탱크를 통하여 연속적으로 흘려내린다. 이 시설의 배양탱크는 5~10 단계로 구성되고, 30톤의 용량을 갖는다. 도 3 과 도 5 에는 오수를 완전처리한 방출수의 자외선스캔 (UV scanning) 분석을 보여준다.

도 3 에서 보는 바와 같이, 돼지분뇨처리 전과 후의 비교이며, 오수처리 전에 많은 종류의 유기물질이 명백하게 보인다. 그러나, 새로운 처리법을 적용하면 유기물질들은 처리 후에 대부분이 사라지고, COD 3ppm 이하가 된다. 가시광선에 의한 분석에서, 돼지분뇨처리 전과 후의 비교이고, 대부분의 갈색 유기물질은 처리 후에는 제거된다.

예로, 도 8의 표 1은 종래 기술의 미국 내에서 돼지분뇨처리의 결과를 보여준다. 비록, 대부분의 오염물질이 98~99% 제거되었어도, 방출수에 남아있는 1~2%의 잔류 오염물질은 축적되어 심각한 문제의 원인이 된다.

표 1에서 보는 바와 같이, 현재의 돼지분뇨처리 결과의 예를 나타낸다: 그와 같은 돼지배설 오수로 하천의 오염을 방지하기 위해, 1~2%의 잔류 오염물질은 자연으로 방출하기 전에 반드시 더 처리를 해야만 한다. 불행하게도, 현존의 생물학적 처리기술은 잔류 COD와 질소를 완전하게 제거하지 못한다.

도 1 에서 보는 바와 같이, 화학적 산소요구량(COD)은 수 백가지 유기화합물로 구성되어 있다. 이러한 유기화합물은 박테리아와 곰팡이에 의해 분해되지 않는다.

현재의 연구를 통하여, 박테리아와 곰팡이에 의해 분해되지 않는 유기화합물은 특별한 환경하에서 배양한 조류와 규조류에 의하여 쉽게 제거되는 것을 발견하였다. 조류와 규조류는 COD 와 질소를 성장 영양분으로 활용한다. 이와같은 새로운 제거 기술은 종래의 기술과 비교하여 어떠한 COD 와 질소의 처리효율이 비교가 어려울 정도로 월등하다.

이와같은 새로운 기술은 가능할 것 같지 않고, 매우 비싸게 보이지만, 그러나 상당히 획기적이고, 매우 효율적이며, 비용도 저렴한 것으로 연구기간 동안 입증되었다. 기존 활성오니법의 한계를 뛰어넘는 기술을 적용하여, 하천에 난분해성 오염물질이 쌓이는 것을 중지시키기에 충분하다. 추가로, 새로운 처리 방법은 수질오염을 줄일 뿐만 아니라, 공기오염과 토양오염을 줄이는데 도움이 된다.

실시예 2: [Implementing Example 2]

도시 하수처리를 위하여, 오수를 침전탱크에 넣어 고체물질을 가라앉혀 걸러 낸다. 그 후, 오수에 칼슘염 (Ca) 을 첨가하여 초기처리한다. 다음, 초기처리한 하수는 연속적으로 다단계 배양탱크를 통하여 흘려 내린다 (예 1 과 유사). 이산화 탄소를 공급시키기 위하여, 소량의 공기를 공급한다. 조류와 규조류의 광합성을 자극하기 위하여, 하수처리시설의 아래 또는 위에다 인위적으로 조명을 설치한다.

생활하수처리는 기존 활성오니법 과정을 생략하고 하수를 여과한 후 바로 배양탱크로 보내 단계적으로 통과시키면서 처리한다.

실시예 3 [Implementing Example 3]:

쓰레기 하적장으로부터 오수가 방류되는 것을 처리하기 위하여, 방류되는 오수에 칼슘염 (Ca) 을 첨가하여 초기처리한다. 그 후, 초기처리한 하수를 연속적으로 다단계 배양탱크를 통하여 흘려 내린다 (예 1 과 유사). 이산화 탄소를 희석시키기 위하여, 소량의 공기를 공급한다. 조류와 규조류의 광합성을 자극하기 위하여, 하수처리시설의 아래 또는 위에다 인위적으로 조명을 설치한다.

실시예 4 [Implementing Example 4]:

하수천 처리를 위하여, 하수천에 칼슘염 (Ca) 을 첨가하여 초기 하수처리를 한다. 그 후, 초기처리한 하수천을 연속적으로 다단계 배양탱크를 통하여 흘려 내린다 (예 1 과 유사). 이산화탄소를 공급시키기 위하여, 소량의 공기를 공급한다. 조류와 규조류의 광합성을 자극하기 위하여, 하수천 처리시설의 아래 또는 위에다 인위적으로 조명을 설치한다.

실시예 5 [Implementing Example 5]:

커피 또는 홍차 폐기물 같은 색깔이 짙은 하수처리를 위하여, 하수에 칼슘염 (Ca) 을 첨가하여 초기 하수처리를 한다. 그 후, 초기처리한 하수천을 연속적으로 다단계 배양탱크를 통하여 흘려 내린다 (실시예 1 과 유사).

도 5 내지 도 7b 는 실시예 1~5의 스캐닝테스트(scanning tests)를 보여준다.

본 발명은 명세서에 상세하게 설명되었지만, 현재 발명의 개념을 더 보완할 수 있다. 그러므로, 본 명세서는 본 발명의 개념을 어떤 형태로 변형, 사용, 및 개조하는 것을 포함한다. 그러므로, 본 명세서의 상세한 설명은 그와 같은 변형을 포함하는 의도를 갖는다.

도 1 은 본 발명인 연속다단계 오수처리 탱크이다.

도 2 는 본 발명인 조류와 규조류 안에 충분한 역량의 세포를 배양하기 위한 재배시설의 구조물이다.

도 3 은 돼지분뇨처리를 비교하기 위한 자외선 스캔 (UV scanning) 도면이다.

도 4 는 돼지분뇨처리를 비교하기 위한 가시광선스캔 (visible ray scanning) 도면이다.

도 5 는 돼지분뇨를 조류와 규조류로 처리하여 일주간격으로 진행과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이다.

도 6 은 소나무와 참나무 혼합퇴비의 부식산을 조류와 규조류로 처리하여 일주 간격으로 진행과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이다.

도 7a 는 커피잔유물 오수를 조류와 규조류로 처리하여, 일주간격으로 진행 과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이다.

도 7b 는 커피잔유물 오수를 박테리아와 곰팡이로 처리하여, 일주간격으로 진행과정을 자외선스캔 (UV scanning)으로 보여주는 도면이다.

Claims

오수에 녹아있는 유기물질을 박테리아나 곰팡이와 같은 분해자에 의해 분해한 후에 오수에 남아있는 난분해성 유기물을 완전히 제거하기 위한 생물학적 처리장치로서의 오수의 강력처리 장치로서,

특수조건하에서 배양한 조류(algae)와 규조류(diatoms)를 이용하여, 배설물에 함유된 오수를 처리하는 수단;

칼슘염 (Calcium Salt)과 실리카염 (Silica Salt)을 첨가하여 조류와 규조류에 활성세포를 배양하는 수단;

용해된 유기물질(COD)을 박테리아나 곰팡이에 의해 분해한 후에도, 배설물과 오수에 함유되어 분해되지 않은 난분해성 유기물을 제거하는 수단;

각기 깊이 20cm-500cm, 가로 10cm-1000cm, 세로 10cm-100cm를 갖으며, 오수를 연속적으로 희석시키기 위하여, 각기 다른 조건하에서 재배한, 3~1,000단계의 구조로 된 연속다단계 배양탱크에 오수를 통과시켜, 오수에 함유된 오염물질을 제거하는 수단;

인위적으로 조명을 설치하여, 조류와 규조류를 효과적으로 배양하기 위한, 배양 개선장치:

플라스틱, 비닐 또는 유리로 조류와 규조류의 배양시설에 적합한 온도로 유지하기 위한 보온장치; 및

오수 속에 녹아있는 질소계 영양분을 강제적으로 공기 중에 방출하지 않고, 질산염과 탄산가스 인으로 광합성하도록 조류와 규조류를 배양하는 장치;

를 포함하는 오수의 강력처리 장치.
오수에 녹아있는 유기물질을 박테리아나 곰팡이와 같은 분해자에 의해 분해한 후에 오수에 남아있는 난분해성 유기물을 완전히 제거하기 위한 생물학적 처리방법으로서의 오수의 강력처리 방법으로서,

배설물에 함유된 오수처리를 위해, 특수조건하에서 배양한 조류(algae)와 규조류(diatoms)를 적용하는 단계;

조류(algae)와 규조류(diatoms)를 활성세포로 배양하기 위하여 칼슘염 (Calcium Salt)과 실리카염 (Silica Salt)을 첨가하는 단계;

용해된 유기물질(COD)을 박테리아나 곰팡이 같은 분해자로 분해한 후에도, 배설물과 오수에 함유되어 분해되지 않은 난분해성 유기물을 제거하는 단계; 및

연속적으로 오수를 희석시키기 위하여, 각기 다른 조건하에서 재배한, 3~1,000단계의 구조로 된 연속다단계 배양탱크에 오수를 통과시켜, 오수에 함유된 오염물질을 제거하는 단계;

를 포함하는 오수의 강력처리 방법.
제 2 항에 있어서,

인위적으로 조명을 설치하여, 조류와 규조류를 효과적으로 배양하기 위한, 배양 효율개선 단계:

플라스틱, 비닐 또는 유리 중의 적어도 하나로 말-조류와 규조류의 배양시설에 적합한 온도로 유지하기 위해 보온하는 단계; 및

오수 속에 녹아있는 질소계 영양분을 강제적으로 공기 중에 방출하지 않고, 질산염 가스와 탄산가스 인 등으로 광합성하도록 조류와 규조류를 배양하는 단계;

를 더 포함하는 오수의 강력처리 방법.