KR20150057658A

KR20150057658A - 미세조류와 멤브레인 공정을 이용한 오ㆍ폐수 처리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20150057658A
Application number: KR1020130141289A
Authority: KR
Inventors: 최희정; 이승목
Original assignee: 가톨릭관동대학교산학협력단
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-28

Abstract

본 발명은 오ㆍ폐수의 처리 방법 및 그 처리장치를 제공한다. 본 발명은 공장이나 가정에서 배출되는 공장 폐수 또는 생활하수를 모아서 1차적으로 간단히 전처리를 행하고, 이어서 미세조류를 이용하여 오ㆍ폐수 중의 각종 영양 염류들을 제거함과 동시에 미세조류에 의한 바이오매스를 수득하며, 이어서 바이오 매스 및 각종 영양 염류가 제거된 오ㆍ폐수를 다시 중공사막 필터에 의해 물리적인 방식으로 나머지 오염물질을 제거하게 되는 기술을 제공한다.

Description

미세조류와 멤브레인 공정을 이용한 오ㆍ폐수 처리 방법 및 장치 {Method of and Apparatus for Wastewater Treatment by Microalgae Membrane Bioreactor Process}

본 발명은 미세조류를 이용한 오폐수의 처리방법 및 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 인위적인 영양염류를 제공하지 않으면서도 한편으로는 대량의 바이오 매스를 얻을 수 있고, 다른 한편으로는 산업화 도시화에 따른 오폐수를 효율적으로 정화시킬 수 있는 미세조류를 이용한 오폐수의 처리방법 및 처리장치에 관한 것이다.

오늘날 경제발전에 따라 급속한 산업화와 도시화가 진행되고 있고, 그로 인한 수자원 고갈과 수질오염이 점점 심각한 문제로 대두되고 있다. 특히, 수질 오염의 문제는 수자원의 재활용 및 오염 방지에 대한 대책과 더불어 반드시 해결해야 할 사안으로 떠오르고 있다.

산업화 도시화에 따른 오폐수의 발생과, 이에 대한 수처리 기술로서는 스크린, 침전, 부상, 여과 등의 물리적 처리방식과; 응집, 산화, 흡착, 이온교환 등의 화학적 처리방식; 그리고, 미생물에 의한 생물학적 처리방식을 예시할 수 있으며, 상기 물리ㆍ화학적 처리방식과 생물학적 처리방식을 단위공정으로 하여 조합하고 연계하여 처리하는 다단계 처리방식이 새롭게 개발되고 있다.

오늘날 일반적으로 개발되고 있는 수처리 공정기술을 살펴보면, 화학적 또는 생물학적으로 1차 처리하고, 1차 처리된 처리수 내에 잔류하는 부유물질과 유기성 오염물질을 2차적으로 처리하여 전체적으로 안정적 처리효율을 이루기 위하여 물리적 여과기나 생물학적 여과기를 사용하는 것을 예시할 수 있다. 물리적 여과기는 통상적인 모래여과기와 활성탄 여과기를 대표적으로 들 수 있고, 생물학적 여과기(Bio filter)로서는 처리 용기의 내부에 미생물이 서식할 수 있는 여재를 충전한 다음, 여기에 오ㆍ폐수를 유입시켜 미생물이 유기물을 생물학적으로 분해하도록 하는 것을 시스템을 대표적으로 들 수 있다.

최근에 들어서는, 오폐수의 처리를 위하여 물리ㆍ화학적인 처리 방식의 한계를 인식하고, 생물학적 처리방식에 관한 관심이 증대되고 있다. 이러한 생물학적 처리방식은 오ㆍ폐수를 저장하는 용기 내부에 미생물이 자라날 수 있는 담체 내지 미생물 배양체를 집어넣고, 상기 미생물이 오ㆍ폐수 내에 존재하는 각종의 영양 염류를 먹이로 삼아 제거하도록 하는 기술이다.

그러나, 종래의 생물학적 처리방식의 경우에는, 적절한 미생물의 원만한 배양 및 수득이 어려운 단점이 있었고, 또한, 그 미생물에 의한 오염물질의 제거능력이 낮아서, 완전한 오ㆍ폐수의 처리를 위한 시스템으로 정착시키기 어려운 단점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-887760호 "유동상 여재를 이용한 오폐수 처리장치" (2009. 3. 2.); 대한민국 공개특허 제2002-80602호 "오폐수 또는 폐가스 처리방법 및 이를 이용한 고효율바이오필터 장치" (2002. 10. 26.) 대한민국 등록특허 제10-897019호 "고효율 미세조류 배양용 광생물 반응기" (2009. 5. 4.).

본 발명은, 상기 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 인위적인 영양염류를 제공하지 않으면서도 한편으로는 대량의 바이오 매스를 얻을 수 있고, 다른 한편으로는 산업화 도시화에 따른 오폐수를 효율적으로 정화시킬 수 있는 미세조류를 이용한 오폐수의 처리방법 및 처리장치를 제공하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 공장이나 가정에서 배출되는 공장 폐수 또는 생활하수를 모아서 1차적으로 간단히 전처리를 행하고, 이어서 미세조류를 이용하여 오ㆍ폐수 중의 각종 영양 염류들을 제거함과 동시에 미세조류에 의한 생물자원으로서의 바이오매스를 수득하며, 이어서 바이오 매스 및 각종 영양 염류가 제거된 오ㆍ폐수를 다시 여과장치에 의해 물리적 방식으로 나머지 오염물질을 제거하게 되는 기술을 제공한다.

본 발명에 의한 오폐수 처리방법은, 공장 폐수 또는 생활하수로 이루어진 오ㆍ폐수를 유입시키고, 그 중에서 부유물과 협잡물을 제거하고, 다음 단계로 이동하기 전까지 일정한 시간동안 정치시키는 전처리 단계와; 상기 전처리된 오ㆍ폐수와 정제된 미세조류 배양물을 10 : 0.5 내지 3 부피 비율(v/v)로 혼합하고, 외부에서 공기를 공급하면서, 실온에서 1일 내지 4일 동안 혼련시키고, 그 과정에서, 상기 미세조류가 상기 오ㆍ폐수 중의 영양 염류를 먹이로 삼아 배양될 수 있도록 하는 반면에, 상기 오ㆍ폐수 중의 영양 염류를 제거하는 생물학적 처리단계와; 상기 생물학적 처리단계를 거쳐서 상기 오ㆍ폐수 중의 영양 염류가 최초 유입된 오염농도에 비해 60 % 내지 70 % 정도 제거된 상태에서 여과장치를 통하여 나머지 영양 염류 성분을 더욱 제거하는 물리적 처리단계; 를 포함하고 있다.

본 발명에 의한 오폐수의 처리방법을 사용할 경우, 미세조류를 배양하여 하수 오염원인 축산분뇨, 생활 오ㆍ폐수, 음식물찌꺼기 등을 미세조류의 먹이자원으로 활용함으로써, 미세조류 배양을 위한 별도의 영양 물질을 공급할 필요가 없고, 그와 동시에 오폐수 중에서는 인, 질소 등 수질오염원을 제거할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 오폐수의 처리방법을 사용할 경우, 미세조류 배양을 위하여 별도의 영양 물질을 공급할 필요가 없이, 오폐수 중의 영양 염류를 먹이로 활용함으로써, 매우 저렴한 비용으로 생물자원인 바이오매스를 대량으로 수득할 수 있는 장점도 있다.

또한, 본 발명에 의한 오폐수의 처리방법을 사용할 경우, 생물학적 처리 방법만을 단독으로 채택하였을 경우에 비하여, 오염물질의 제거효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있고, 생물학적 처리의 최대 단점인 환경적요인의 영향을 받지 않아 안정적으로 오폐수를 처리할 수 있는 장점도 있다.

또한, 본 발명에 의한 오폐수의 처리방법을 사용할 경우, 오염된 물질을 미세조류를 이용한 생물학적 처리방식에 의해 대폭적으로 제거시킨 상태에서, 멤브레인 여과장치를 이용하여 오염물질을 제거하게 되므로, 전체적인 시스템의 성능을 일정하게 유지할 수 있고, 역세척 등의 유지관리 비용 등을 대폭적으로 줄일 수 있는 장점도 있다.

도 1은 본 발명에 의한 오폐수 처리방법에 관한 개략적인 개념도이고,
도 2는 본 발명에 의한 오폐수 처리방법에 적합한 미생물 처리조(120)에 관한 개략적인 개념도이고,
도 3은 상기 미생물 처리조(120)에 사용될 수 있는 도광판(126)에 관한 개략적인 개념도이며,
도 4는 본 발명의 전체 공정에 관한 BOD와 COD의 제거 결과를 나타낸 도표이고,
도 5는 본 발명의 전체 공정에 관한 질소(N) 성분의 제거 결과를 나타낸 도표이며,
도 6은 본 발명의 전체 공정에 관한 인(P) 성분의 제거 결과를 나타낸 도표이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 기술사상이 이에 한정되는 것이 아니며, 다양한 변형이 가능함을 미리 밝혀둔다.

도 1은 본 발명에 의한 오폐수 처리방법에 관한 개략적인 개념도이다.

본 발명에 의한 오폐수 처리방법은, 공장 폐수 또는 생활하수로 이루어진 오ㆍ폐수를 일정한 장소로 모으고, 이들로부터 부유물과 협잡물을 제거한다. 상기 오ㆍ폐수는 공장 지대와 산업단지 등에서 흘러나오는 각종 공장 폐수와 도시 지역의 생활 하수 및 농어촌의 각종 축산이나 어류 양식장에서 흘러나오는 축산 어류 폐수 등을 모두 포함하고 있다. 오ㆍ폐수 중에 부유물과 협잡물이 잔존하는 상태로 다음 단계를 진행할 경우, 원만한 작업수행이 곤란하고, 관련 장비들의 잦은 고장 등을 일으키기 때문에, 이러한 부유물 등을 미리 처리하는 것이 바람직하다. 상기 오ㆍ폐수 중의 부유물과 협잡물의 제거방식은 통상적인 방법 및 통상적인 수단으로 수행될 수 있다.

본 발명은 오ㆍ폐수 중에 부유물과 협잡물이 제거되어지면, 다음 단계로 진행되기 이전에, 일정한 저장용기에 투입하여 일정한 기간 동안 정치시키는 것이 바람직하다. 상기 부유물과 협잡물이 제거된 상태에서 곧바로 다음 단계로 진입시키는 것보다는, 일정한 저장용기에 투입하여 시스템의 안정화를 기하고, 원만한 폐수처리를 준비하는 것이 더 효율적으로 오폐수를 처리할 수 있기 때문이다. 상기 저장용기(110)는 통상적으로 사용되는 폭기조 또는 혐기성 저장조를 포함하고 있으며, 그 저장조에서 수행되는 통상적인 전처리 과정을 포함하고 있다. 도 1에서는 상기 저장용기(110)로서 혐기성 저장조를 사용하고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의한 오폐수 처리방법은, 상기 전처리 단계를 거친 오ㆍ폐수와 배양된 후 정제된 미세조류 배양물을 서로 혼합하고, 상기 미세조류를 이용하여 오폐수를 처리하는 생물학적 처리단계로 이행한다.

도 2는 본 발명에 의한 오폐수 처리방법에 적합한 미생물 처리조(120)에 관한 예시적인 개념도이고,

도 3은 상기 미생물 처리조(120)에 사용될 수 있는 도광판(126)에 관한 예시적인 개념도이다.

본 발명은 상기 전처리 단계를 거친 오ㆍ폐수와, 배양된 후 정제된 미세조류 배양물을 미생물 처리조(120)에 투입하고, 서로 혼합하여 일정한 처리 조건하에서 생물학적 처리를 행한다.

본 발명에 있어서, 상기 미생물 처리조(120)는 오ㆍ폐수를 수용하는 몸체부(122)와, 전처리단계에서 상기 오ㆍ폐수를 공급하는 유입구(123)와, 생물학적 처리를 마친 오ㆍ폐수를 외부로 배출하는 배출구(124)와, 외부의 전원에 의해 빛을 발생시키고 상기 몸체부(122)의 상부에 위치한 광원부(125)와, 상기 광원부(125)에 의해 발생된 빛을 상기 몸체부(122)의 내부에 균일하게 발산시키는 도광판(126)을 포함하고 있다. 상기 미생물 처리조(120)에는 상기 오ㆍ폐수 10 리터에 대하여 상기 미세조류 배양물 0.5 리터 내지 3 리터의 비율로 투입하는 것이 바람직하다. 상기 오ㆍ폐수 10 리터에 대하여, 상기 미세조류 배양물을 0.5 리터 이하로 투입할 경우, 장기간 생물학적 처리기간을 요하게 되고, 이로 인하여 폐수의 오염물질 제거 효율이 낮아져서 경제성 측면에서 부담을 가져올 수 있으므로 바람직스럽지 못한 반면에, 상기 미세조류 배양물을 3.0 리터 이상으로 투입할 경우, 생물학적 처리기간을 단축할 수 있지만, 상기 미세조류의 배양을 위하여 과다한 관련 비용 등을 부담해야 하는 등의 문제가 있으므로, 바람직스럽지 못하다.

본 발명에 있어서, 상기 미세조류 배양물이라 함은 미세조류를 선택하여 JM 배지에서 일정한 조건하에 배양하고, 얻은 상기 미세조류를 함유한 배양 용액을 말한다. 이 경우, 상기 미세조류의 배양 조건은 상기 배양 용액을 pH (7.2 ± 0.3)로 유지하고, 낮 (8h) 밤 (16h)의 주기로 진행하며, 배양 온도는 23℃ ± 2℃ 를 유지하고, 12일 내지 18일간 증식시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 미세조류 배양물은 배양 과정을 마친 이후, 그대로 사용할 수도 있지만, 이를 정제하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명은 이를 위하여, 상기 배양과정을 마친 미세조류 배양물을 원심분리기에 의해 상등액과 배양액으로 분리한 다음, 상기 상등액을 초기 배양물의 50 % 내지 70 % 정도를 버리고, 그 나머지의 농축되어 잔존하는 미세조류 배양물을 '정제된 미세조류 배양물'로서 사용하는 것이다. 상기 '정제된 미세조류 배양물'을 얻기 위해 미세조류의 배양액을 원심분리기로 분리하여 정제하는 이유는, 보다 건강한 미세조류를 수득함과 동시에, 상기 오ㆍ폐수에 혼합할 경우 미세조류의 농도를 높여주고, 미세조류에 의한 오염물질의 제거 효율을 신속하고 안정되게 얻어내기 위한 것이다.

본 발명은 상기 미생물 처리조(120)에 상기 오ㆍ폐수 10 리터에 대하여 상기 미세조류 배양물을 0.5 내지 3 리터의 비율로 투입하고, 실온에서 1일 내지 4일 정도를 서서히 혼련시키면서, 상기 광원부(125)에서 발생된 빛을 도광판(126)에 의하여 균일하게 분산시킨다. 혼련 방식은 특별히 제한되지 않는다. 상기 광원부(125)는 전기에너지를 이용하여 빛을 발생시키는 것으로서, 상기 미세조류의 광합성 작용을 위하여 필요하다. 상기 광원부(125)는 낮 8시간 동안 빛을 발생시키고, 밤 16시간 동안 빛을 차단하는 것이 바람직하다. 상기 광원부(125)에 의하여 발생된 빛은 그 아래쪽에 설치되어 있는 도광판(126)으로 전달되어지고, 상기 도광판(126)에 의하여 상기 몸체부(122)의 내부에서 고르게 분산되어 퍼져나가게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 미생물 처리조(120)는 공기 투입구(127)를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 상기 공기 투입구(127)는 외부에서 공기를 공급하는 통로가 된다. 상기 공기 투입구(127)를 통하여 공기를 공급할 경우, 공기 중의 CO₂ 가스가 상기 오ㆍ폐수 중에 녹아 들어가게 되고, 상기 미세조류는 CO₂ 가스를 이용하여, 외부에서 공급된 빛에너지를 활용하여 광합성 작용을 하게 된다. 또한, 상기 미생물 처리조(120)에 공급된 공기가 버블을 일으키면서 위쪽으로 올라가게 되고, 그 과정에서 자연스럽게 상기 오ㆍ폐수를 혼련시키게 되는 부수적인 효과를 갖게 된다. 이러한 혼련 과정에서 상기 미세조류는 상기 오ㆍ폐수 중의 각종 오염물질들과 끊임없이 접촉하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 미생물 처리조(120)는 상기 오ㆍ폐수와 상기 미세조류를 실온에서 1일 내지 4일 동안 혼련시킨다. 실온은 통상적으로 여름철과 겨울철에 약간씩 차이가 있을 수 있지만, 통상적으로 여름철에는 대략 15 ℃ 내지 30 ℃ 정도를 가리키는 반면에 겨울철에는 대략 10 ℃ 내지 25 ℃ 정도를 가리킨다. 본 발명은 상기 생물학적 처리과정에서 미세조류를 이용하고 있으므로, 온도 조건에 민감한 특성이 있지만, 대체적으로 낮은 온도에서는 보다 장기간의 배양기간을 요하고, 높은 온도에서는 보다 단기간의 배양기간을 통해서도 높은 영양 염류의 제거효율을 달성할 수 있게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 미생물 처리조(120)는 실온에서 상기 미세조류가 상기 오ㆍ폐수와 혼련되는 과정에서 각종 오염 물질을 먹이로 삼아 자라나게 된다. 상기 미세조류는 미생물계에 속하지만, 다른 미생물들과는 달리 분해자의 역할을 수행하지 않고, 대기 중에서 이산화탄소(CO₂)를 흡수하여 광에너지의 도움으로 식물처럼 광합성 작용을 하여 유기물질을 합성하는 생산자의 역할을 수행하고 있는 점을 활용한 것이다. 미세조류는 이러한 광합성 작용을 하는 동안에, 상기 오ㆍ폐수 중에 용존산소를 공급하게 되는 장점도 있다.

본 발명에 있어서, 상기 미세조류는 상기 오ㆍ폐수 중에 잔류하는 각종의 염류들을 영양원으로 삼아 상기 미생물 처리조(120)에서 더욱 자라나게 되고, 배양되어지게 된다. 이를 통하여, 상기 미세조류는 상기 오ㆍ폐수 중에서 기하급수적으로 배양되어져서 바이오 매스의 생물자원으로 활용될 수 있는 기반을 구축해주는 반면에, 상기 오ㆍ폐수는 상대적으로 각종의 영양 염류들을 빼앗기게 되고, 각종 영양 염류들의 잔류량은 점차적으로 낮아지게 되는 것이다. 상기 영양 염류들은 하천이나 하수에 방류되었을 경우, 하천수의 부영양화를 야기하게 되는 각종 유기물과 무기물을 의미한다. 이러한 영양 염류 중의 대표적인 것으로서는 용존 무기질소(N), 용존 무기인(P), 암모니아, 아질산염, 질산염, 유기질소화합물, 무기인산염, 유기 인산염, 규산염 등을 예시할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 미생물 처리조(120)는 저면에 슬러리 배출구(129)를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 상기 미생물 처리조(120)를 통하여 배양기간을 경과하게 될 경우, 상기 미세조류는 상기 오ㆍ폐수 중의 각종 영양 염류들을 영양원으로 삼아 충분히 배양된 상태이므로, 상기 슬러리 배출구(129)를 통하여 미세조류 슬러리를 외부로 배출할 수 있게 된다. 이를 위하여, 상기 순환펌프(40)의 작동과 상기 공기 투입구(127)의 공기 공급을 중단시키고, Iron sulphate를 주입하면, 상기 생물 처리조(120)의 내부에서 배양된 미세조류가 슬러리화되어 바닥에 가라앉게 된다. 상기 슬러리 배출구(129)를 통하여 미세조류를 외부로 배출시키고, 한데 모아서 바이오 매스의 생물자원으로 활용하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 미생물 처리조(120)는 순환펌프(40)를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 상기 순환펌프(40)는 상기 미생물 처리조(120) 내부에 있는 오ㆍ폐수와 미세조류를 계속적으로 혼련시키고 순환시켜주는 기능을 수행하게 된다. 또한, 상기 미생물 처리조(120)는 수위계(30)를 통하여 상기 오ㆍ폐수의 수위를 측정하고, 외부로부터 유입 여부를 결정할 수 있도록 하는 것이 바람직하고, 각종의 측정센서(55)를 설치하고 각종 오염물질들의 농도 내지 제거 성능을 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 수위계(30)와 측정센서(55)들은 컴퓨터 시스템(50)에 연결하여 자동적으로 측정 및 제어를 수행하도록 하는 것이 좋다.

본 발명은 이와 같은 생물학적 처리단계를 거치게 될 경우, 최소한 최초의 오염물질의 60 % 내지 70 % 정도를 제거할 수 있게 된다. 최초의 오염물질들이 제거된 오ㆍ폐수는 상기 배출구(124)를 통하여 다음 단계로 넘어가게 된다.

본 발명에 의한 오폐수 처리방법은, 상기 생물학적 처리단계를 마친 오ㆍ폐수를 여과장치(130)에 의하여 나머지 영양 염류 성분을 더욱 제거하는 물리적 처리단계를 포함하고 있다.

본 발명에 있어서, 상기 여과장치(130)는 생물학적 처리단계에서 처리된 오ㆍ폐수를 공급받게 되는 폐수유입구(132)와, 여과막 처리를 마친 이후 외부로 배출되는 폐수배출구(134)를 포함하고 있고, 그 내부에 다수의 중공사막 멤브레인(135)을 장착하고 있는 것이 바람직하다. 상기 여과장치(130)에는 상기 폐수유입구(132)를 통하여 유입된 오ㆍ폐수가 그 내부에서 6 시간 내지 24 시간의 처리시간을 거치도록 하는 것이 바람직하다. 상기 중공사막 멤브레인(135)은, 상기 오ㆍ폐수가 공기 등과 함께 저면에서 위쪽으로 올라가는 과정에서, 상기 오ㆍ폐수 중에 용존되어 있던 각종 오염물질들을 흡착제거하게 된다. 이때, 상기 여과장치(130)에 투입된 오ㆍ폐수는 그 전단계에서 이미 오염물질을 최초 농도의 60 % ~ 70 % 정도를 미리 제거한 상태를 이루고 있으므로, 이 과정에서 상기 중공사막 멤브레인(135)에 의해 나머지 잔존하는 오염물질들이 거의 완벽하게 제거되어지는 결과를 낳게 된다.

또한, 본 발명은 상기 여과장치(130)에 투입된 오ㆍ폐수가 비교적 저농도의 오염물질을 포함하고 있는 것이어서, 상기 중공사막 멤브레인(135)에 의한 오염물질의 제거효율이 높을 뿐만 아니라, 상기 중공사막 멤브레인(135)의 표면에 달라붙게 되는 오염물질의 양도 적어지게 되므로, 운전중에 시행될 수밖에 없는 역세척 작업을 종래에 비하여 훨씬 적게 수행하게 되는 장점도 있는 것이다. 이는 중공사막 멤브레인을 이용한 여과장치에 있어서, 가장 해결과제가 되고 있는 파울링 및 역세척의 문제를 대폭적으로 감소시킴으로써, 전체적인 시스템의 안정화 및 효율화를 달성하게 됨을 의미함과 동시에, 처리 대상이 되고 있는 오ㆍ폐수의 오염물 제거 성능을 더욱 향상시키고 고양시키는 원동력이 되고 있음을 의미한다.

본 발명은 이와 같은 물리적 처리단계를 마친 오ㆍ폐수를 상기 폐수배출구(134)를 통하여 외부로 배출시킨다. 배출된 오ㆍ폐수는 종래의 생물학적 처리단계만을 수행한 경우에 비하여, 훨씬 높은 오염물의 제거효율을 나타내게 된다.

<< 미세조류의 선택 및 배양 >>

본 발명은 미세조류로서 3 ~ 8 μm 크기의 구형 클로렐라 불가리스 (C. vulgaris: FC-16)를 선택하였다. 상기 클로렐라 불가리스는 한국 해양미세조류은행 (KMMCC, Kores)에서 분양받아 JM 배지 (Jaworski's Medium, Thompson et al., 1988)에서 배양하였다. 배양 조건은 pH (7.2 ± 0.3), 낮 (8h) 밤 (16h)의 주기로 온도 (23℃ ± 1℃) 의 항온기에서 15일간 증식시켰다. 사용되었던 JM 배지의 성분은 아래의 표 1과 같았다.

JM 배지 성분 [단위: mg/L Deionized Water]

Component	Contents [ mg /L]
Ca(NO₃)₂ㆍ4H₂O	20
KH₂PO₄	12.4
MgSO₄ㆍ7H₂O	50
NaHCO₃	15.9
Na₂HPO₄ㆍ12H₂O	36
NaNO₃	80
EDTA FeNa	2.25
EDTANa₂	2.25
H₃BO₃	2.48
MnCl₂ㆍ4H₂O	1.39
(NH₄)₆Mo₇O₂₄ㆍ4H₂O	1.00
Cyanobalamin	0.04
thiamine HCl	0.04
biotin	0.04

<< 미생물 처리조 (120) >>

강원도 강릉시 하수처리장의 실 폐수를 사용하였다. 강릉 하수처리장의 실폐수 37 L 에 대하여, 위에서 살펴본 15일 동안 배양한 상기 클로렐라 불가리스 3.7 L를 넣어 클로렐라와 폐수의 비율을 10:1로 맞추어 혼합하였다. 초기 투입된 클로렐라 불가리스의 농도는 1.12 ± 0.05 g/L 이었다.

상기 미생물 처리조(120)의 용량은 500 L (500 mm (가로) * 280 mm (세로) * 320 mm (높이)) 이었다. 초기 미세조류의 농도는 1.12 ± 0.05 g L^-1이었고, 중성 pH (7.2 ±0.3)로 유지하였으며, 처리 온도는 25 ℃ ± 2 ℃ 이었고, 낮(8시간)과 밤(16시간)의 주기를 유지하였다. 상기 광원부(125)는 LEDs 램프를 사용하였고, 그때 빛의 파장은 430 nm ~ 670 nm 를 발생하였으며, 3일간의 체류시간을 거쳤다. 또한, 상기 미생물 처리조(120)는 분당 0.5 L의 공기를 주입했고, 공기 안에 함유되어 있는 CO₂의 양은 0.02 vvm 이었다. (도 2 참조.)

상기 미생물 처리조(120)에는 컴퓨터(50)에 연결된 다수의 측정용 센서(55)들을 결합시켜 몸체부(122)의 내부 실폐수의 오염물질의 농도 등을 측정하도록 하였고, 수위계(30)를 부착하였으며, 순환펌프(40)를 통하여 계속적으로 실폐수의 순환을 유도하였다.

또한, 상기 미생물 처리조(120)의 몸체부(122) 가운데에 V-cut 형태의 도광판(126)을 삽입하여 빛이 반응기 전체에 균일하게 전달되도록 하였다. 상기 도광판(126)은 빛의 투과율이 가장 좋은 PMMA (Poly-methylmethacrylate)를 재료로 사용하였고, 그 두께는 4 밀리미터이었고, V-cut 처리하여 사용하였다. V-cut 방식은 상하좌우에 빛의 균일한 방출을 위하여 광원으로부터 멀어질수록 V-cut 홈의 간격을 줄이고, 깊이를 늘이는 방법을 사용하였다. (도 3A 참조.)

상기 도광판(126) 위에 20 여개의 LED가 부착된 LED바를 설치하여 광원부(125)로 사용하였고, LED 램프는 bar 형식의 LED 램프를 특별 제작하였으며, LED에 공급되는 전원은 모델 FP-60-12 파워공급기를 사용하였으며 (AD & Lighting, Suwon, Kyonggi-Do, Korea), 모든 광원은 위에서 아래로 공급하였다. (도 3B 참조.)

<< 여과장치(130) >>

상기 미생물 처리조(120)에서 처리된 실폐수를 여과막을 가진 여과장치(130)에 투입하여 잔여 오염 물질을 제거하였다. 사용된 여과장치(130)는 0.45 μm (PES, Millipore) 의 크기를 가진 침지형 멤브레인을 사용하였다. 상기 여과장치(130)에 유입된 실폐수의 유량은 8 L/m²h 이었고, 공기의 주입량은 10 L/min로 일정하게 주입하였다. 상기 여과장치(130)에서의 체류시간은 9시간이었으며, 상기 여과장치(130)의 총 용량은 50 L이었다.

<< 미생물 처리조(120)에서의 바이오매스 증식률 >>

상기 미생물 처리조(120)를 통하여 3일간의 체류시간을 경과한 다음, 미세조류의 증식률을 측정해 보았다. 측정 방식 및 측정 기구는 APHA (American Public Health Association)의 Standard Methods 와 Ion Chromatography (IC)를 이용하였다.

측정결과, 상기 미생물 처리조(120)를 통하여 얻은 바이오매스 평균 증식률은 2.53 g/Ld를 나타내었다. 이는 다른 선행연구들과 비교하여 대략 30% 이상의 높은 바이오매스 증식률을 나타낸 것으로 평가되었다. 예컨대, Hsieh and Wu (2009) 는 사각형 투명한 반응기에서 0.340 g/Ld 의 바이오매스 증식률을 얻었고, Cheng-Wu et al., 2001는 440-L의 광생물반응기에 평평한 투명 판을 삽입하여 Nannochlorospis 를 증식시킨 결과 0.27 g/Ld 바이오매스 증식률을 얻었고, Lopez et al., (2006)는 55-L bubble column photobioreactor 에 Haematococcus pluvialis 를 증식시킨 결과, 0.06 g/Ld 의 바이오매스 증식 결과를 얻은 것으로 보고되고 있다. 따라서, 본 발명에 의한 상기 미생물 처리조(120)는, 종래의 실험 결과들에 대비하여 살펴볼 경우, 종래의 선행 연구들보다 훨씬 높은 바이오매스의 증식율을 나타내고 있음을 알 수 있는 것이다.

또한, 상기 미생물 처리조(120)를 통하여 얻은 미세조류의 비증식 속도는 2.20 ± 0.015 d^- ¹를 나타내었다. 이는 Chlorella sp 로 실험하였던 Hsieh and Wu (2009) 의 1.745 d^-1 및 Ong et al., (2010)의 0.238 d^-1 에 비하여, 훨씬 높은 미세조류의 비증식 속도를 나타낸 것으로 확인할 수 있었다.

<< 전체 공정을 마친 이후의 COD와 BOD의 제거율 >>

본 발명에 의한 오폐수의 전체 공정을 마치고 난 이후, 실폐수에 관한 COD와 BOD의 제거 효율을 살펴보았다.

본 발명의 구체적인 실시예를 수행하는 과정에서, 상기 미생물 처리조(120)와 상기 여과장치(130)에 설치된 센서(55)들을 이용하여, 각 과정마다 컴퓨터 처리하여 그 결과를 측정하였다.

또한, 상기 미생물 처리조(120)만을 자체적으로 가동시킨 채, 그 과정을 통하여 각각의 오염물질의 제거 성능을 측정함과 더불어, 역시 상기 여과장치(130)만을 가동시킨 상태에서 위와 동일한 목적 및 방법으로 각각의 오염물질의 제거 성능을 측정하였다.

측정 결과, 본 발명의 전체 공정을 마친 이후, COD 제거율은 96.99% 이었고, BOD 제거율을 96.46% 이었다. 이에 반하여, 상기 미생물 처리조(120)만을 가동하였을 경우, COD 제거율은 53.18% 이었고, BOD 제거율을 72.77% 이었으며; 상기 여과장치(130) 만을 가동하였을 경우, COD 제거율은 87.31% 이었고, BOD 제거율을 82.77% 이었다.

도 4는 본 발명의 전체 공정에 관한 BOD와 COD의 제거 결과를 나타낸 도표이다.

<< 전체 공정을 마친 이후의 질소(N) 성분의 제거율 >>

본 발명에 의한 오폐수의 전체 공정을 마치고 난 이후, 실폐수에 관한 질소(N) 성분의 제거 효율을 살펴보았다.

상기 미생물 처리조(120)와 상기 여과장치(130)에 설치된 센서들을 이용하여, 전체적인 공정 및 각 공정을 대상으로 하여 위와 동일한 방식으로 진행하였다.

측정 결과, 본 발명의 전체 공정을 마친 이후, TN 제거율은 96.38% 이었고, NH₄-N 제거율을 99.90% 이었고 NO₃-N은 94.31 % 이었다.

한편, Valderrama et al. 이 미세조류 (C. vulgaris)를 이용하여 산업폐수에서 실험한 결과, TN 제거율은 71.6% 이었고, NH₄-N 제거율은 72.3% 이었으며, NO₃-N 제거율은 70.65% 이었다. 또한, Choi et al. 이 MBR(멤브레인 여과막)을 이용하여 일반하수를 처리한 결과, TN 제거율은 76.8% , NH₄-N 제거율은 75.32%, NO₃-N 제거율은 72.65% 이었다.

이들을 서로 대비하여 살펴볼 경우, 본 발명은 TN 제거율이 최대 20.32%, NH₄-N은 최대 26.60%, NO₃-N은 최대 22.97% 정도 더 높은 것임을 알 수 있었다.

도 5는 본 발명의 전체 공정에 관한 질소 성분의 제거 결과를 나타낸 도표이다.

<< 전체 공정을 마친 이후의 인(P) 성분의 제거율 >>

본 발명에 의한 오ㆍ폐수의 전체 공정을 마치고 난 이후, 실폐수에 관한 인(P) 성분의 제거 효율을 살펴보았다.

측정 결과, 본 발명의 전체 공정을 마친 이후, TP 제거율은 92.75% 이었고, PO₄-P 제거율을 87.06% 이었다. 한편, Gonzalez et al.은 C. vulgaris 와 Scenedesmus dimorphus.를 혼합하여 산업폐수를 처리한 결과, TP 제거율은 58% 이었고, PO₄-P 제거율은 55% 이었다.

또한, TP와 PO₄-P는 미세조류를 이용한 단일공정에서 가장 처리율이 낮은 영양 염류인 것으로 알려져 있고, 여러 문헌의 실험결과를 보면 TP ~70%, PO₄-P ~70%의 최대 제거율을 나타내고 있은 것으로 알려져 있다.

이들을 서로 대비하여 살펴볼 경우, 본 발명은 TP 제거율이 최대 22% 정도, PO₄-P 는 최대 17% 정도 더 높은 것임을 알 수 있었다.

도 6은 본 발명의 전체 공정에 관한 인(P) 성분의 제거 결과를 나타낸 도표이다.

이상에서 본 발명에 의한 오폐수 처리방법 및 그 장치를 구체적으로 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해서 그 범위가 결정되어지고 한정되어진다.

또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.

30 : 수위계, 40: 순환펌프,
50 : 컴퓨터 55 : 측정 센서,
110 : 저장용기, 120 : 미생물처리조,
122 : 몸체부, 124 : 배출구,
125 : 광원부, 126 : 도광판,
127 : 공기투입구, 129 : 슬러리 배출구,
130 : 여과장치, 132 : 폐수유입구,
134 : 폐수배출구, 135 : 멤브레인

Claims

오폐수의 처리방법에 있어서,
공장 폐수 또는 생활하수로 이루어진 오ㆍ폐수를 유입시키고, 그 중에서 부유물과 협잡물을 제거하고, 다음 단계로 이동하기 전까지 일정한 시간동안 정치시키는 전처리 단계와;
상기 전처리된 오ㆍ폐수와 미세조류 배양물을 10 : 0.5 내지 3 부피 비율(v/v)로 혼합하고, 외부에서 공기를 공급하면서, 실온에서 1일 내지 4일 동안 혼련시키고, 그 과정에서, 상기 미세조류가 상기 오ㆍ폐수 중의 영양 염류를 먹이로 삼아 배양될 수 있도록 하는 반면에, 상기 오ㆍ폐수 중의 영양 염류를 제거하는 생물학적 처리단계와;
상기 생물학적 처리단계를 거쳐서 상기 오ㆍ폐수 중의 영양 염류가 최초 유입된 오염농도에 비해 30 % 이하로 잔존하게 된 상태에서 멤브레인 여과수단을 통하여 나머지 영양 염류 성분을 더욱 제거하는 물리적 처리단계; 를
포함하고 있는 것을 특징으로 한, 오폐수의 처리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 생물학적 처리단계는 상기 오ㆍ폐수와 미세조류 배양물을 미생물 처리조(120)에서 처리하며,
미생물 처리조(120)는 오ㆍ폐수를 수용하는 몸체부(122)와, 전처리단계에서 상기 오ㆍ폐수를 공급하는 유입구(123)와, 생물학적 처리를 마친 오ㆍ폐수를 외부로 배출하는 배출구(124)와, 외부의 전원에 의해 빛을 발생시키고 상기 몸체부(122)의 상부에 위치한 광원부(125)와, 상기 광원부(125)에 의해 발생된 빛을 상기 몸체부(122)의 내부에 균일하게 발산시키는 도광판(126)을 포함하고 있으며,
상기 미생물 처리조(120)는 상기 오ㆍ폐수 10 리터에 대하여 상기 미세조류 배양물 0.5 리터 내지 3 리터의 비율로 투입하여 사용하는 것을 특징으로 한, 오폐수의 처리방법.
제 2 항에 있어서,
상기 미세조류 배양물은 '정제된 미세조류 배양물'을 사용하고,
상기 '정제된 미세조류 배양물'은, 배양과정을 마친 미세조류의 배양물을 원심분리기에 의해 상등액과 배양액으로 분리한 다음, 상기 상등액을 초기 배양물의 50 % 내지 70 % 정도를 버리고, 그 나머지의 농축되어 잔존하는 미세조류의 배양물인 것을 특징으로 한, 오폐수의 처리방법.
제 2 항에 있어서,
상기 미생물 처리조(120)는 공기 투입구(127)를 통하여 상기 미세조류에 이산화탄소를 공급하는 것을 특징으로 한, 오폐수의 처리방법.
제 2 항에 있어서,
상기 미생물 처리조(120)는 상기 미세조류가 상기 오ㆍ폐수 중에 잔류하는 각종 염류들을 영양원으로 삼아 자라나는 배양 용기로서 활용되어지고,
상기 미세조류는 상기 미생물 처리조(120)의 슬러리 배출구(129)를 통하여 바이오매스의 생물자원으로 획득되어지는 것을 특징으로 한, 오폐수의 처리방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세조류는 클로렐라 불가리스 (C. vulgaris)인 것을 특징으로 한, 오폐수의 처리방법.
오ㆍ폐수의 처리 장치에 있어서,
외부에서 오ㆍ폐수를 받아들이는 유입구(123)와, 외부의 오ㆍ폐수를 수용하는 몸체부(122)와, 생물학적 처리를 마친 오ㆍ폐수를 외부로 배출하는 배출구(124)와, 외부의 전원에 의해 빛을 발생시키고 상기 몸체부(122)의 상부에 위치한 광원부(125)와, 상기 광원부(125)에 의해 발생된 빛을 상기 몸체부(122)의 내부에 균일하게 발산시키는 도광판(126)을 포함하고 있으며,
상기 몸체부(122)는 상기 오ㆍ폐수 10 리터에 대하여 미세조류 배양물 0.5 리터 내지 3 리터의 비율로 투입하여 사용하고, 상기 미세조류 배양물은 상기 오ㆍ폐수 중의 영양 염류를 먹이로 삼아 자라가고, 그 과정에서 오ㆍ폐수의 오염물질들이 제거됨과 동시에, 상기 미세조류는 생물자원으로 성장하도록 하는 것을 특징으로 한, 오ㆍ폐수 처리용 미생물 처리조.
제 7 항에 있어서,
상기 몸체부(122)는 그 내부에서 상기 미세조류가 상기 오ㆍ폐수 중에 잔류하는 각종 염류들을 영양원으로 삼아 자라나는 배양 용기로서 활용되어지고,
상기 미세조류는 상기 몸체부(122)의 하단에 설치된 슬러리 배출구(129)를 통하여 바이오 매스의 생물자원으로 획득되어지는 것을 특징으로 한, 오ㆍ폐수 처리용 미생물 처리조.