KR20120032726A - 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 당류 농도가 10~80 브릭스(Brix)인 당류 액 및 동결 방지제를 포함하는 조성물로서, 상기 당류 액의 당류는 액체 크로마토 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 70%이상이고, 상기 동결 방지제는 당류 액 100 중량부를 기준으로 2~75 중량부인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은 당류액의 주성분이 미생물의 성장 에너지원으로 사용되는 탄소수가 6개인 단당류이기 때문에 미생물의 활성도를 향상시키고 생물학적 폐수처리에 적합하다. 또한, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은미생물에 의한 오염이나 변질을 방지하기 위한 영하 이하의 저장 조건에서 고결이나 동결이 발생하지 않기 때문에 생물학적 폐수처리 장치 내에서 원활하게 운송될 수 있고, 생물학적 폐수처리 장치의 운전에 신뢰성을 부여하다.

Description

생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물 및 이의 제조방법{External carbon source composition for microorganism in biological wastewater treatment and manufacturing method of the same}
본 발명은 생물학적 폐수처리 과정에서 미생물의 성장 등에 이용될 수 있는 외부 탄소원 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 당류 제조 공정에서 발생한 부산물을 포함하는 외부 탄소원 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
하, 폐수 내에 함유된 질소 성분이 제거되지 않고 하천에 유입되게 되면 수중 환경에 기본적으로 필요한 질소 성분의 수치가 높아지게 되며 영양 염류가 과잉된 상태, 즉 부영양화 상태로 바뀌게 된다. 부영양화 진행에 의해 수중의 용존 산소는 고갈되고, 산소를 필요로 하는 모든 수중 생물은 죽게 되며, 죽은 수중 생물등으로 부터 발생한 유기물의 잔재는 혐기성 세균에 의해 부패되어 수질의 악취 및 변색 등 수질 오염이 발생하게 된다.
폐수 중의 유기성 질소는 생물학적 폐수처리 방법을 통해 제거할 수 있다. 유기성 질소의 생물학적 폐수처리는 아래와 같은 과정으로 이루어진다.
<질산화>
반응 1 : NH4 + 1.5O2 → 2H+ + H2O + NO2
반응 2 : NO2 + 0.5O2 → NO3
반응 1과 반응 2의 합 반응 : NH4 + 2O2 → 2H+ + H2O + NO3
<탈질>
반응 3 : 2NO3 + 2H2 → 2NO2 + 2H2O
반응 4 : 2NO2 + 3H2 → N2 + 2OH + 2H2O
반응 3과 반응 4의 합 반응 : 2NO3 + 5H2 → N2 + 2OH + 4H2O
먼저, 유기성 질소는 미생물에 의해 분해와 가수분해가 진행되어 암모니아성 질소로 변화게 되고, 암모니아성 질소는 독립 영양 균주에 의해 산화되어 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 변한다(질산화 단계). 질산화 단계에서 생성된 질산성 질소는 종속 영양 균주에 의해 다시 아질산성 질소를 거쳐 가스 상태의 질소 분자로 변화된 후 폐수로부터 제거된다.
한편, 유기성 질소의 생물학적 폐수처리 과정 중 질산 및 아질산 이온은 미생물의 에너지 생성을 위한 호흡 과정에서 전자 수용체로 작용하며, 이때 메탄올, 에탄올, 아세트산 등의 유기물질 들이 전자 공여체로 사용될 수 있다. 그러나, 탈질을 일으키기에 충분한 정도의 유기물질이 폐수 내에 포함되지 않은 경우, 유기성 질소의 제거를 위해 외부 유기 탄소원의 공급이 필요하다. 생물학적 폐수처리를 위한 외부 유기 탄소원으로는 메탄올이 주로 사용되고 있는데, 메탄올은 석탄 및 천연가스를 원료로 하여 제조되며, 가격 변화가 심하고, 실질적으로 수입에 의존하고 있다. 또한, 메탄올은 휘발성 및 인체 유해성 등의 이유로 유독 물질로 구분되어 취급 및 보관에 대한 제약이 따르는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 메탄올과 같은 유기물을 대체할 수 있고 동시에 폐수처리 비용을 절감시킬 수 있는 외부 탄소원으로 산업 부산물을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있고 있다. 대한민국 공개특허 제10-2003-0046557호에는 주정 증류 공정에서 발생된 탈리액을 물리화학적 및 생물학적 전처리를 거쳐 용해성을 높인 후 생물학적 탈질용 외부 탄소원으로 사용하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 제10-2005-0034692호에는 향신료 부산물로부터 지용성 고분자 물질 제거 및 염 석출을 통해 정제된 대체 탄소원(RCS15)과 보습제 생산부산물로부터 활성탄 흡착과 한외여과를 통해 정제된 대체 탄소원(RCS5)이 개시되어 있으나, 상기 특허는 외부 탄소원으로 사용하기 위한 유효 성분들을 얻기 위해 복잡한 후처리 공정이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 생물학적 폐수처리 시 미생물의 성장과 활성도를 향상시킬 수 있고, 영하 이하의 온도 조건에서 저장 안정성이 우수한 친환경적 외부 탄소원 조성물을 제공하는데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 외부 탄소원을 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 일 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 당류 농도가 10~80 브릭스(Brix)인 당류 액 및 동결 방지제를 포함하는 조성물로서, 상기 당류 액의 당류는 액체 크로마토 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 70%이상이고, 상기 동결 방지제는 당류 액 100 중량부를 기준으로 2~75 중량부인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제공한다. 이때, 당류 액은 당류 제조 공정에서 발생한 당류 부산물 또는 이의 농축물인 것이 바람직하다. 또한, 상기 당류 액의 당류 농도는 20~70 브릭스(Brix)인 것이 바람직하다. 또한, 상기 당류 액의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 80%이상이고, 탄소수가 12개인 이당류를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 동결 방지제는 당류 액 100 중량부를 기준으로 10~50 중량부인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물을 수득하는 단계; 상기 당류 부산물을 20~70 브릭스(Brix)의 당류 농도를 가지도록 농축하는 단계; 및 상기 농축된 당류 부산물 100 중량부에 동결방지제 5~50 중량부를 첨가하고 혼합하는 단계;를 포함하고, 상기 당류 부산물은 당류 농도가 10~20 브릭스(Brix)이고, 상기 당류 부산물의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 80%이상인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법을 제공한다. 이때, 상기 당류 부산물의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 12개인 이당류를 더 포함하는 것이 바람직하고, 탄소수가 6개인 단당류는 글루코오스(glucose)이고, 탄소수가 12개인 이당류는 말토오스(Maltose)인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 동결 방지제는 메탄올과 에틸렌글리콜의 혼합용액인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은 당류액의 주성분이 미생물의 성장 에너지원으로 사용되는 탄소수가 6개인 단당류이기 때문에 미생물의 활성도를 향상시키고 생물학적 폐수처리에 적합하다. 또한, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은미생물에 의한 오염이나 변질을 방지하기 위한 영하 이하의 저장 조건에서 고결이나 동결이 발생하지 않기 때문에 생물학적 폐수처리 장치 내에서 원활하게 운송될 수 있고, 생물학적 폐수처리 장치의 운전에 신뢰성을 부여하다. 또한, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은 주요 성분이 천연 물질인 당류 액으로 구성되어 있어서, 메탄올 사용시 요구되는 취급 및 보관에 관한 법적 규제가 필요치 않으며 메탄올과 동등 수준의 탈질 효율을 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물의 제조방법은 당류 부산물이 생물학적 폐수처리에 영향을 미칠 수 있는 질소, 인 성분 함량이 미비하여 분리, 정제 등에 의한 제거 공정이 불필요하고 간단한 농축 및 혼합의 공정만으로 균일한 품질을 가진 외부 탄소원 조성물의 제조가 가능하며, 버려지거나 가격이 저렴한 당류 부산물을 사용하기 때문에 소비자에게 폐수처리 비용의 절감 기회를 제공한다.
도 1의 본 발명의 바람직한 일 예에 따른 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 2는 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물의 당류 성분을 고성능 액체 크로마토그래피로 분석한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 영하 21~25℃에서 1일간 보관 후 동결 현상이 발생한 것을 나타낸 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 영하 21~25℃에서 2개월간 보관 후 안정성이 유지되는 것을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 생물학적 폐수 처리에 적용 시 탈질 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 측면은 생물학적 폐수처리 시 미생물에 이용될 수 있는 외부 탄소원 조성물에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은 당류 액과 동결 방지제를 포함한다.
당류 액
당류 액은 당류 성분을 포함하는 수용액으로서, 당류 농도가 약 10~80 브릭스(Brix)인 것을 특징으로 한다. 당류 농도가 10 브릭스 미만인 경우 영하 이하의 보관 조건에서 동결 현상이 발생하기 쉽고 당류 농도가 너무 낮아 폐수처리 공정에 적용시 운반 비용의 증가 및 반응조 부피의 증가 등 폐수처리 공정의 생산성을 떨어뜨리고, 당류 농도가 80 브릭스를 초과하는 경우 점도가 너무 높아 폐수처리 장치 내에서의 운송이 어렵고, 아울러 영하 이하의 온도 조건에서 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물을 보관시 단기간에 고결 현상이 발생하기 때문이다. 또한, 후술하는 바와 같이 당류 액이 당류 제조 공정에서 발생한 부산물로부터 유래하는 경우 당류 액의 당류 농도가 80 브릭스를 초과하는 경우 농축에 따른 높은 에너지 비용을 요구하여 경제성이 떨어진다. 폐수처리 공정의 생산성, 폐수처리 장치 내에서의 운송성, 농축에 따른 경제성, 영하 이하의 온도 조건에서 보관시 내고결성 및 내동결성 등을 고려할 때, 당류 액의 당류 농도는 바람직하게는 약 20~70 브릭스(Brix), 보다 바람직하게는 35~65 브릭스(Brix)이다. 본 발명에서, 고결이란 외부 탄소원 조성물의 일 성분인 당류가 결정화되어 고체로 석출되는 것을 의미하고, 동결이란 외부 탄소원 조성물의 당류 액 전체가 고체 상태로 냉동되는 것을 의미한다.
또한, 당류 액의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 당류 전체에서 약 70%이상, 바람직하게는 80% 이상인 것을 특징으로 한다(통상적으로 특정 당류 성분의 액체 크로마토그래피 면적 기준에 의한 %는 중량%와 거의 동일한 것으로 간주된다.). 일반적으로 생물학적 폐수처리시 미생물은 탄소원으로 탄소수가 6개인 단당류를 이용하기 때문에 당류 액의 당류를 구성하는 탄소수가 6개인 단당류가 70% 미만인 경우 폐수처리의 효율이 저하될 염려가 있다. 탄소수가 6개인 단당류는 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 글루코오스(Glucose), 프럭토오스(Fructose), 만노오스(Mannose), 또는 갈락토오스(Galactose) 등이 단일 성분으로 존재하거나 이들이 혼재된 것일 수 있고, 미생물의 이용 효율을 고려할 때 글루코오스가 단일 성분으로 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 당류 액의 당류는 탄소수가 6개인 단당류 이외에 탄소수가 12개인 이당류를 더 포함할 수 있는데, 이때 이당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 당류 전체에서 약 10%이하로 존재한다. 탄소수가 12개인 이당류는 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 수크로오스(Sucrose), 말토오스(Maltose), 이소말토오스(Isomaltose), 트레할로오스(Trehalose), 또는 락토오스(Lactose) 등이 단일 성분으로 존재하거나 이들이 혼재된 것일 수 있다.
또한, 당류 액은 탄소수가 6개인 단당류, 물, 및 선택적으로 탄소수가 12개인 이당류 등을 혼합하여 제조된 것일 수 있으나, 바람직하게는 당류 제조 공정에서 발생한 부산물 또는 이의 농축물인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 전분으로부터 당류, 특히 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 부산물 또는 이의 농축물인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물 제조시 글루코오스 제품을 사용하여 미생물의 성장 에너지원으로 사용할 수 있으나 글루코오스 제품은 가격이 고가이기 때문에 폐수 처리 사용 시 처리 비용이 증가하게 되며, 분말 형태의 제품으로 판매되기 때문에 폐수처리를 위해 제품을 용해하여 사용해야 하는 불편함이 있다. 당류 제품은 일반적으로 액화 효소를 이용하여 전분 분자량을 잘게 잘라주고, 당화 효소의 첨가를 통해 당의 조성 및 함량을 조절하며, 여과, 탈색, 분리 정제 등의 공정을 거쳐 생산된다. 당류 제조 시 당화 과정 중 제품에 필요한 당 성분이 생성되기도 하지만 불필요한 당 성분도 같이 생성되며 여과, 탈색, 분리 정제 등의 공정을 거쳐 제품화하는 과정에서 제품에 불필요한 당 성분 및 제품에 필요한 당 성분 일부를 포함하는 부산물이 발생하는데, 이러한 부산물을 당류 부산물이라고 한다. 특히, 글루코오스 제조 시 액상의 글루코오스는 농축 및 건조 과정을 거쳐 결정의 제품을 만들게 되며 농축 및 건조 과정 시 결정화되지 못하고 여과된 물질은 당류 부산물로 존재하게 된다. 또한 수용성 식이섬유 제조 공정에서 당화 공정을 거치게 되면 식이 섬유 제조에 필요한 유효성분 및 기타 불필요한 성분이 존재하게 되며 여과, 탈색, 이온정제, 분리 단계를 거치면서 불필요한 성분 및 일부 유효성분은 당류 부산물로 분리되게 된다. 상기 당류 제조단계에서 사용된 전분은 미변성 전분 및 변성 전분 모두를 포함하며, 예를 들어 옥수수전분, 찰옥수수전분, 타피오카전분, 감자전분, 고구마전분, 쌀전분, 밀전분 등의 미변성 전분 또는 상기 미변성 전분을 식품 첨가물 규정에 적합하도록 변성시킨 에테르화, 에스테르화, 산화, 산처리, 등의 변성전분 일 수 있으며, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합한 것을 포함하며, 분리된 당류 부산물은 상기 전분에서 발생된 부산물을 포함한다. 전분으로부터 당류를 제조하는 공정에서 발생하는 당류 부산물은 당류 농도가 10~50 브릭스(Brix), 통상적으로 10~20브릭스(Brix)인 당류 액이며, 이때 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 글루코오스 85~95%, 말토오스 2~10%, 및 기타 당 성분으로 구성된다. 전분으로부터 글루코오스를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물의 당류 주요 성분인 글루코오스는 탄소 6개를 가지며 알데히드기를 가지고 있는 단당류로서 미생물 성장 시 에너지원 및 세포의 구성요소로 사용되므로 생물학적 폐수처리, 특히 생물학적 탈질 처리시 미생물의 외부 탄소원으로 유용하게 사용될 수 있다.
동결 방지제
한편, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은 글루코오스와 같은 당류를 포함하고 있어서, 보관 및 취급 과정에서 미생물에 오염 및 변질 될 염려가 있고, 이 경우 생물학적 폐수처리 과정에 사용될 수 없게 되며 또한 겨울철 외부 탄소원 조성물은 고결되거나 동결될 우려가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은 당류 액 이외에 동결 방지제를 더 포함한다. 동결 방지제는 본 발명의 외부 탄소원 조성물을 영하 이하의 조건에서 보관시 당류 액이 동결되는 것을 방지하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물에서 동결 방지제는 당류 액 100 중량부를 기준으로 2~75 중량부, 바람직하게는 당류 액 100 중량부를 기준으로 5~50 중량부인 것을 특징으로 하는데, 동결 방지제가 당류 액 100 중량부를 기준으로 2 중량부 미만이면 영하 이하의 온도 조건(약 영하 5~10℃)에서 동결 방지 및 고결 방지의 효과가 미비하고, 동결 방지제가 당류 액 100 중량부를 75 중량부를 초과하면 외부 탄소원 조성물에서 당류 액의 함량이 상대적으로 줄어들어 미생물의 활성도가 저하될 우려가 있다. 동결 방지제가 당류 액 100 중량부를 기준으로 5~50 중량부인 경우 약 영하 21~25℃의 가혹한 조건에서도 외부 탄소원 조성물이 단기간에 동결되는 것을 방지할 수 있고, 외부 탄소원 조성물에서 당류 액의 함량을 적정 수준으로 유지되어 생물학적 폐수처리 과정에서 미생물의 활성도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 동결 방지제는 생물학적 폐수처리시 미생물이 이용할 수 있기 때문에 외부 탄소원 조성물의 구성 성분으로 사용시 폐수처리의 효율을 향상시킬 수 있고, 당류 액의 어는 점을 내릴 수 있는 유기물이라면 그 종류가 크게 제한되지 않는다. 동결 방지제는 예를 들어 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 아세트산, 아세트알데히드, 아세톤, 에틸메틸케톤, 디메틸에테르(Dimethyl ether), 아닐린(Aniline), 메틸아민, 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 메탄올과 에틸렌글리콜의 혼합용액으로 구성되고, 보다 바람직하게는 메탄올:에틸렌글리콜의 중량비가 1:4~1:1인 혼합용액으로 구성된다. 상기의 프로판올은 n-프로판올(n-propanol) 및 이소프로판올(isopropanol)을 포함한다. 또한, 부탄올은 n-부탄올(n-butanol), 이소부탄올(isobutanol), 및 2-butanol(2-Butanol)을 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 도 1의 본 발명의 바람직한 일 예에 따른 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물의 제조방법은 바람직하게는 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물을 수득하는 단계(S10); 상기 당류 부산물을 농축하는 단계(S20); 및 상기 농축된 당류 부산물에 동결방지제를 첨가하고 혼합하는 단계(S30);를 포함한다. 본 발명에 따른 당류 부산물은 당류를 제조하는 공정에서 발생한 부산물로서, 이때 당류 제조 공정의 최종 산물은 수크로오스, 올리고당, 글루코오스 등 다양한 종류가 될 수 있고, 당류 제조의 원료도 사탕수수, 사탕무우, 셀룰로오스, 전분, 옥피(Corn hull) 등 다양한 종류에서 선택될 수 있으나, 당류 제조 공정의 경제성, 생물학적 폐수처리 미생물의 성장 및 활성 향상 효과를 고려할 때, 당류 제조의 원료가 전분이고, 최종 산물이 글루코오스인 것이 바람직하다. 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물은 당류 농도가 약 10~20 브릭스(Brix)인 당류 수용액이고, 상기 당류 부산물의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류, 특히 글루코오스가 80%이상을 차지한다. 아울러, 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 12개인 이당류, 특히 말토오스(Maltose)를 더 포함할 수 있다. 이후 수득된 당류 부산물은 약 20~70 브릭스(Brix)의 당류 농도를 가지도록 농축되는데. 이때 농축은 공지된 다양한 농축방법에 의해 수행되고, 일 예로 감압농축 방법이 있다. 농축된 당류 부산물 100 중량부에 동결방지제 5~50 중량부를 첨가하고 혼합함으로써 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물을 완성한다. 이때 동결 방지제는 당류 부산물의 동결을 방지하고 미생물을 활성을 저하시키지 않으며, 바람직하게는 미생물의 탄소원으로 이용될 수 있는 유기물질이라면 그 종류가 제한되지 않으며, 당류 부산물의 당류를 구성하는 당 종류, 당류 부산물에서 당류의 농도 등에 의해 다양한 양태로 구성될 수 있다. 당류 부산물이 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 경우, 동결 방지제는 특히, 메탄올과 에틸렌글리콜의 혼합용액이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
1. 당류 부산물의 수득 및 물성 분석
옥수수 전분에서 글루코오스를 제조하는 공정으로부터 발생한 부산물을 수득하고, 수득한 당류 부산물의 주요 물성 및 당류 조성을 분석하였다. 당류 조성은 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC 1200 series, Agilent사)를 사용하여 분석하였다.
표 1은 당류 부산물의 물성 및 당류 조성 결과를 나타낸 것이고, 도 2는 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물의 당류 성분을 고성능 액체 크로마토그래피로 분석한 결과이다.
측정
항목		 당류 농도
(Brix)		 pH 전기 전도도
(μS/㎝)		 착색도 당류 조성
(HPLC 피크 면적 기준, %)
글루코오스 말토오스 기타
측정 값 13.0 5.0 10.3 0.072 91.0 6.5 2.5
표1 및 도 2에서 보이는 바와 같이 당류 부산물의 당류는 90% 이상이 글루코오스로 이루어짐을 알 수 있다.
2. 농축 당류 부산물의 제조 및 보관 안정성 분석
앞에서 수득한 당류 부산물을 감압농축기(R-111L, BUCHI사)를 사용하여 당류 농도별로 농축하였다. 농축된 당류 부산물을 4℃(냉장 조건) 및 영하 5~10℃(냉동 조건)에서 보관하면서 보관 시간에 따른 고결 및 동결 발생 여부를 육안으로 확인하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
농축된 당류 부산물의 당류 농도(Brix) 보관 조건
4℃ 보관 영하 5~10℃ 보관
고결 발생 여부 동결 발생 여부 고결 발생 여부 동결 발생 여부
20 × × × 1일 발생
30 × × × 1일 발생
50 × × × 2일 발생
70 × × × 2일 발생
80 7일 발생 × 5일 발생 2일 발생
표 2에서 보이는 바와 같이 고결은 당류 부산물의 당류 농도가 높을수록, 보관 온도가 낮을수록 빨리 발생하고, 동결은 당류 부산물의 당류 농도가 낮을수록 더 빨리 발생하였다.
3. 외부 탄소원 조성물의 제조
실시예 1.
50 브릭스(Brix)의 당류 농도로 농축된 당류 부산물 1000g에 동결 방지제 20g을 첨가하고 30분간 교반하여 외부 탄소원 조성물을 제조하였다. 이때 동결 방지제로는 메탄올:에틸렌글리콜의 중량비가 3:7인 혼합용액을 사용하였다.
실시예 2.
동결 방지제 50g을 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 외부 탄소원 조성물을 제조하였다.
실시예 3.
동결 방지제 100g을 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 외부 탄소원 조성물을 제조하였다.
실시예 4.
동결 방지제 200g을 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 외부 탄소원 조성물을 제조하였다.
실시예 5.
동결 방지제 500g을 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 외부 탄소원 조성물을 제조하였다.
실시예 6.
20 브릭스(Brix)의 당류 농도로 농축된 당류 부산물 1000g에 동결 방지제 20g을 첨가하고 30분간 교반하여 외부 탄소원 조성물을 제조하였다. 이때 동결 방지제로는 메탄올:에틸렌글리콜의 중량비가 3:7인 혼합용액을 사용하였다.
실시예 7.
80 브릭스(Brix)의 당류 농도로 농축된 당류 부산물 1000g에 동결 방지제 20g을 첨가하고 30분간 교반하여 외부 탄소원 조성물을 제조하였다. 이때 동결 방지제로는 메탄올:에틸렌글리콜의 중량비가 3:7인 혼합용액을 사용하였다.
4. 외부 탄소원 조성물의 물성 및 보관 안정성 분석
(1) 외부 탄소원 조성물의 물성
실시예 3에서 제조한 외부 탄소원 조성물의 pH, 화학적 산소 요구량(CODcr, 중크롬산칼륨을 산화제로 사용한 크롬법으로 측정함), 총 질소 함량, 질산성 질소 함량, 암모니아성 질소 함량, 총 인 함량 등을 폐수분석장치(DR4000, HACH사)를 사용하여 측정하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
측정 항목 측정값
pH 2.9
전기 전도도(μS/㎝) 14.2
CODcr(㎎/ℓ) 739,000
총 질소 함량(㎎/ℓ) 340
질산성 질소 함량(㎎/ℓ) 340
암모니아성 질소 함량(㎎/ℓ) 0
총 인 함량(㎎/ℓ) 430
표 3에서 보이는 바와 같이 실시예 3에서 제조한 외부 탄소원 조성물은 높은 COD값을 가지며, 낮은 질소 함량 및 인 함량을 가졌다.
(2) 영하 5~10℃에서의 보관 안정성
실시예 1 내지 실시예 7에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 영하 5~10℃에서 보관하면서 보관 시간에 따른 고결 및 동결 발생 여부를 육안으로 확인하였고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
외부 탄소원 조성물 구분 고결 발생 여부 동결 발생 여부
실시예 1 × 2개월 이상 발생되지 않음
실시예 2 × 2개월 이상 발생되지 않음
실시예 3 × 2개월 이상 발생되지 않음
실시예 4 × 2개월 이상 발생되지 않음
실시예 5 × 2개월 이상 발생되지 않음
실시예 6 × 1개월 이후 발생됨
실시예 7 1개월 이후 발생됨 2개월 이상 발생되지 않음
표 4에서 보이는 바와 같이 동결 방지제의 첨가에 의해 외부 탄소원 조성물의 보관 안정성이 크게 향상됨을 알 수 있다.
(3) 영하 21~25℃에서의 보관 안정성
실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 영하 21~25℃에서 보관하면서 보관 시간에 따른 고결 및 동결 발생 여부를 육안으로 확인하였다. 또한 보관 조건에서의 유변학적 특성 변화를 알아보기 위해 영하 21~25℃에서 1일 보관 후 꺼낸 즉시 저전단 점도계(LVDV-I+, Brookfield사)를 이용하여 점도를 측정하였고(Spindle No.1, 60 rpm, 30초), 그 결과를 표 5에 나타내었다.
외부 탄소원 조성물 구분 고결 발생 여부 동결 발생 여부 점도(센티포이즈, cP)
실시예 1 × 1일 발생 측정 불가
실시예 2 × 2개월 이상 발생되지 않음 15
실시예 3 × 2개월 이상 발생되지 않음 14
실시예 4 × 2개월 이상 발생되지 않음 15
실시예 5 × 2개월 이상 발생되지 않음 12
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 영하 21~25℃에서 1일간 보관 후 동결 현상이 발생한 것을 나타낸 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 영하 21~25℃에서 2개월간 보관 후 안정성이 유지되는 것을 나타낸 사진이다.
표 5, 도 3 및 도 4에서 보이는 바와 같이 영하 21~25℃에서 외부 탄소원 조성물의 보관 안정성을 확보하기 위해서는 동결 방지제의 첨가량이 농축된 당류 부산물 100 중량부 대비 5 중량부 이상임을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물은 영하 21~25℃에서 보관시 동결 방지제의 첨가량에 따른 점도 변화가 거의 일어나지 않았다.
5. 외부 탄소원 조성물의 생물학적 폐수처리 효율 분석
실시예 3에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 생물학적 폐수처리에 적용하여 폐수처리 효율을 측정하였다. 대조군으로 메탄올(CODcr : 1,200,000 ㎎/ℓ)을 외부 탄소원으로 적용하여 폐수처리 효율을 측정하였다.
질산칼륨 28.88g을 물에 녹여 총 부피가 20ℓ인 합성 폐수를 제조하였다. 제조된 합성 폐수의 질산성 질소는 200 ㎎/ℓ(㎎/ℓ는 ppm과 동일함)이었다. 20ℓ의 조업 부피를 가진 무산소조에 10ℓ의 합성 폐수를 넣고 여기에 하수종말처리장의 반송슬러지를 첨가하여 초기 미생물 농도를 3,300 ㎎/ℓ[혼합액 부유 고형물(mixed liquor suspended solid, MLSS) 값으로 폭기조내의 미생물량 또는 생물학적 활성을 갖는 오니량을 표시하는 지표로 사용됨)로 조절하였다. 합성 폐수의 pH를 7.0~7.5로 조정하면서, 탄소/질소(C/N)의 몰비가 약 3이 유지되도록 실시예 3의 외부 탄소원 조성물(또는 대조군 외부 탄소원으로 메탄올)을 투입하고 25℃에서 20시간 반응시켰다. 시간별로 샘플을 채취하고 질산성 질소(NO3-N) 함량을 측정하였다. 도 5는 본 발명의 실시예 3에서 제조한 외부 탄소원 조성물을 생물학적 폐수 처리에 적용 시 탈질 효율을 나타낸 그래프이다. 도 5에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 외부 탄소원 조성물을 생물학적 폐수처리에 적용시 종래의 외부 탄소원으로 사용되고 있는 메탄올을 적용한 것과 거의 유사한 탈질 효율을 나타내었고, 폐수처리 반응이 20시간 경과 되었을 때 약 99%의 질산성 질소가 제거되었다.
도 5에서 y축의 NO3-N은 질산성 질소(질산 형태로 존재하는 물질의 질소 성분)를 나타낸다.

Claims (15)

  1. 당류 농도가 10~80 브릭스(Brix)인 당류 액 및 동결 방지제를 포함하는 조성물로서,
    상기 당류 액의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 70%이상이고,
    상기 동결 방지제는 당류 액 100 중량부를 기준으로 2~75 중량부인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 당류 액은 당류 제조 공정에서 발생한 당류 부산물 또는 이의 농축물인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 당류 제조 공정은 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 당류 액의 당류 농도는 20~70 브릭스(Brix)인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 당류 액의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 80%이상이고, 탄소수가 12개인 이당류를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 동결 방지제는 당류 액 100 중량부를 기준으로 5~50 중량부인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소수가 6개인 단당류는 글루코오스(Glucose)인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 탄소수가 6개인 단당류는 글루코오스(glucose)이고, 탄소수가 12개인 이당류는 말토오스(Maltose)인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동결 방지제는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 아세트산, 아세트알데히드, 아세톤, 에틸메틸케톤, 디메틸에테르(Dimethyl ether), 아닐린(Aniline), 메틸아민, 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 동결 방지제는 메탄올과 에틸렌글리콜의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 혼합용액은 메탄올:에틸렌글리콜의 중량비가 1:4~1:1인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물.
  12. 전분으로부터 글루코오스(Glucose)를 제조하는 공정에서 발생한 당류 부산물을 수득하는 단계;
    상기 당류 부산물을 20~70 브릭스(Brix)의 당류 농도를 가지도록 농축하는 단계; 및
    상기 농축된 당류 부산물 100 중량부에 동결방지제 5~50 중량부를 첨가하고 혼합하는 단계;를 포함하고,
    상기 당류 부산물은 당류 농도가 10~20 브릭스(Brix)이고, 상기 당류 부산물의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 6개인 단당류가 80%이상인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 당류 부산물의 당류는 액체 크로마토그래피 피크 면적 기준으로 탄소수가 12개인 이당류를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 탄소수가 6개인 단당류는 글루코오스(glucose)이고, 탄소수가 12개인 이당류는 말토오스(Maltose)인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 동결 방지제는 메탄올과 에틸렌글리콜의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리 미생물의 외부 탄소원 조성물을 제조하는 방법.
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