KR20190046417A - 분리막이 포함된 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템 - Google Patents

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KR20190046417A
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Abstract

수 처리 방법, 및 수 처리 시스템이 제공된다. 상기 수 처리 방법은, 내부에 슬러지층이 제공된 처리조가 준비되는 단계, 유기화합물, 및 질소화합물을 포함하는 합성폐수가 준비되는 단계, 상기 슬러지층으로, 상기 합성폐수가 유입되는 단계, 및 상기 슬러지층에서 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물, 및 상기 질소화합물이 분해되는 단계를 포함할 수 있다.

Description

분리막이 포함된 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템{A wastewater treatment method and a wastewater treatment system using a reaction tank containing a separation membrane}
본 발명은 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 내부에 메인 분리막을 포함하는 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템에 관련된 것이다.
유기화합물 및 질소화합물이 포함된 폐수는 독성이 있으며, 산소 고갈과, 부영양화를 야기하므로, 수생 생물의 삶에 치명적이다. 따라서, 상기 폐수 내의 유기화합물, 및 질소화합물의 함량을 낮추는 것은 생태계 유지에 필수적인 요건이다.
따라서, 상기 유기화합물, 및 질소화합물을 제거하기 위하여, 생물학적 질소 처리법, 및 물리화학적 질소 처리법에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔다. 상기 생물학적 질소 처리법은, 상기 물리화학적 질소 처리법에 비해 상대적으로 처리비용이 저렴하며, 친환경적인 장점이 있다.
예를 들어, 일본 공개특허(공개번호: 10-2016-0030042)에는, 배수에 포함되는 암모니아태 질소의 일부를, 아질산형 질화 반응에 의해 아질산태 질소로 변환하는 아질산형 질산화 반응조와, 상기 암모니아태 질소의 잔부와 상기 아질산태 질소를, 혐기성 암모니아 산화 반응에 의해 분자상 질소와 질산태 질소로 변환하는 혐기성 암모니아 산화 반응조와, 혐기성 암모니아 산화 반응 후에 잔류되어 있는 아질산태 질소와 상기 질산태 질소를, 독립 영양적인 탈질 반응에 의해 분자상 질소로 변환하는 독립 영양적 탈질화 반응조를 포함하고, 혐기성 암모니아의 산화 반응을 이용한 배수의 생물학적 질소 처리법이 개시되어 있다.
하지만, 수 처리를 위한 반응조가 복수로 존재하는 경우, 질산화 반응조에는 별도로 산소를 공급해야 하고, 탈질화 반응조에는 별도로 유기물을 공급해야 함에 따라, 수 처리 공정상 비효율적인 단점이 있다.
또한, 상기 생물학적 질소 처리법에 이용되는 혐기성 미생물은, 배양하는데 오랜 시간이 걸리고, 외부환경에 따라 상기 혐기성 미생물이 유실되기 쉬운 문제점이 있어, 수 처리 공정에 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.
이에 따라, 혐기성 미생물을 포함하는 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템에 있어, 별도의 산소, 및 유기물 공급을 요구하지 않고, 상기 혐기성 미생물의 유실이 최소화된 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 메인 분리막이 포함된 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 보조 분리막이 추가로 포함된 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 내부에 슬러지층이 포함된 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 슬러지층이 각 영역으로 구분된 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 슬러지층 내부에, 호기성 미생물, 및 혐기성 미생물이 공존하는 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 질산화 반응, 및 탈질화 반응이 연계되어 발생하는 처리조를 이용한 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하기 위한 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 수 처리 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 내부에 슬러지층이 제공된 처리조가 준비되는 단계, 유기화합물, 및 질소화합물을 포함하는 합성폐수가 준비되는 단계, 상기 슬러지층으로, 상기 합성폐수가 유입되는 단계, 및 상기 슬러지층에서 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물, 및 상기 질소화합물이 분해되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 처리조는, 상기 슬러지층을 제1 영역, 및 제2 영역으로 구분하는 메인 분리막을 포함하고, 상기 메인 분리막은 상기 슬러지층을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 영역에서, 호기성 미생물에 의해 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 영역에서, 혐기성 미생물에 의해 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 처리조는, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을, 제1 서브영역, 및 상기 제1 서브영역과 상기 처리조의 바닥면 사이의 제2 서브영역으로 구분하는 보조 분리막을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보조 분리막은, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 서브영역에서, 상기 제2 서브영역으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물의 양이 증가할수록, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역 내의, 상기 제1 서브영역 대비 상기 제2 서브영역의 비율이 줄어들 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 서브영역에서 상기 호기성 미생물에 의해 상기 합성폐수의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해되고, 상기 제2 서브영역, 및 상기 제2 영역에서 상기 혐기성 미생물에 의해 상기 합성폐수의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질소화합물은, 암모늄(NH4), 및 아질산(NO2)일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혐기성 미생물은, Candidatus Kuenenia, Candidatus Brocadia, Candidatus Anammoxoglobus, Candidatus Jettenia, 및 Candidatus Scalindua 등으로 이루어진 아나목스 박테리아(Anammox bacteria) 군 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 슬러지층으로 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이, 상기 혐기성 미생물에 의하여, 산화 환원 반응을 통해 질소가스로 분해될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 수 처리 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 메인 분리막을 포함하는 처리조를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 분리막은 상기 처리조 내부에 제공되는 슬러지층을 제1 영역 및 제2 영역으로 구분할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 분리막은 상기 슬러지층을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층으로 유입된 합성폐수가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 경로는, 상기 메인 분리막 및 상기 처리조의 바닥면 사이에 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 처리조는, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을, 제1 서브영역, 및 상기 제1 서브영역과 상기 처리조의 바닥면 사이의 제2 서브영역으로 구분하는 보조 분리막을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보조 분리막은, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 서브영역에서, 상기 제2 서브영역으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보조 분리막은, 상기 처리조의 일 측벽에서 상기 처리조의 타 측벽을 향해 연장되고, 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물의 양에 따라, 상기 보조 분리막과 상기 처리조의 바닥면 사이의 거리가 조절될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 메인 분리막은, 상기 처리조의 천장면에서 상기 처리조의 바닥면을 향해 연장될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 내부에 슬러지층이 포함된 처리조가 제공될 수 있다. 상기 처리조 내부에 상기 슬러지층을 제1 영역, 및 제2 영역으로 구분하는 메인 분리막이 제공될 수 있다. 상기 각 영역으로 구분된 처리조 내부에 호기성 미생물, 및 혐기성 미생물이 공존함에 따라, 상기 슬러지층으로 유입된 합성페수 내의 유기화합물, 및 질소화합물이 별도의 산소, 및 유기물 공급 없이 분해되는 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 개발할 수 있다. 또한, 상기 처리조의 상기 슬러지층으로, 상기 합성폐수를 일정시간 동안 연속적으로 흘려주어, 상기 슬러지층의 부상을 방지함에 따라, 상기 혐기성 미생물의 유실이 최소화된 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 개발할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 메인 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 처리조의 슬러지층 내부에서 배양되는 아나목스 박테리아, 및 아나목스 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따른 메인 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따른 메인 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 보조 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 보조 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제공된 처리조를 포함하는 수 처리 시스템의 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예 1 내지 실시 예 7, 및 비교 예 1에 따라, 아나목스 박테리아의 배양시간 경과에 따른 합성폐수에 포함된 총 질소의 제거 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예 8 내지 실시 예 11, 및 비교 예 2에 따라, 아나목스 박테리아의 배양시간 경과에 따른 합성폐수에 포함된 질소화합물의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 상기 처리조의 슬러지층 내부에 포함된 미생물의 군집분포 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상, 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 메인 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상기 처리조의 슬러지층 내부에서 배양되는 아나목스 박테리아, 및 아나목스 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 내부에 슬러지층(110)이 제공된 처리조(100)가 준비될 수 있다(S110).
상기 처리조(100) 내부에, 상기 슬러지층(110), 액체층(120), 및 가스층(130)이 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 액체층(120)은 상기 처리조(100)의 상기 슬러지층(110) 상에 제공되고, 상기 가스층(130)은 상기 처리조(100)의 상기 액체층(120) 상에 제공될 수 있다.
또한, 상기 처리조(100)는, 액체 유입구(140), 가스 배출구(150), 및 액체 유출구(160)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 액체 유입구(140)는 상기 처리조(100)의 일 측벽 상의 개구부를 포함할 수 있다. 상기 가스 배출구(150)는 상기 처리조(100)의 천장면 상의 개구부를 포함할 수 있다. 상기 액체 유출구(160)는 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽에 대항하는 타 측벽 상의 개구부를 포함할 수 있다.
상기 처리조(100)의 상기 액체 유입구(140)는, 상기 가스층(130)을 포함하는 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽 상에서, 합성폐수가 외부로부터 상기 처리조(100)로 인입되는 경로를 제공할 수 있다. 상기 처리조(100)의 상기 액체 유출구(160)는, 상기 액체층(120)을 포함하는 상기 처리조(100)의 상기 타 측벽 상에서, 정화된 상기 합성폐수가 외부로 배출되는 경로를 제공할 수 있다. 상기 처리조(100)의 상기 가스 배출구(150)는, 상기 가스층(130)을 포함하는 상기 처리조(100)의 상기 천장면 상에서, 유입된 상기 합성폐수 내의 유기화합물, 및 질소 화합물이 분해되는 동안 생성된 가스가 외부로 배출되는 경로를 제공할 수 있다.
상기 처리조(100)의 상기 슬러지층(110)은, 호기성 미생물을 포함하고 혐기성 미생물을 배양할 수 있다. 다시 말하면, 상기 슬러지층(110)의 슬러지는 활성 슬러지일 수 있다.
상기 처리조(100)의 상기 액체층(120)은, 상기 처리조(100)로 유입된 상기 합성폐수에 포함된 액체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 액체층(120)은, 하기 <화학식 1>에 따라 생성된 물을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
2 NH4 + + 3O2 → 2 NO2 - + 4H+ + 2H2O
NH4 + + NO2 - → N2 + 2H2O
구체적으로, 상기 <화학식 1>에 따르면, 상기 처리조(100)의 상기 액체층(120)은, 상기 호기성 미생물에 의해, 암모늄(NH4)이 산화되어, 아질산이온(NO2 -), 수소이온(H+), 및 물(H2O)이 생성되는 과정에서 생성된 상기 물을 포함할 수 있다. 또한, <화학식 1>에 따르면, 상기 처리조(100)의 상기 액체층(120)은, 상기 혐기성 미생물에 의해, 암모늄이온(NH4 +)과 아질산염이온(NO2 -)이 1:1로 결합하여 질소, 및 물(H2O)이 생성되는 과정에서 생성된 상기 물을 포함할 수 있다.
상기 처리조(100)의 상기 가스층(130)은, 상기 처리조(100)로 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물, 및 상기 질소 화합물이 분해되는 동안 생성된 가스를 포함할 수 있다.
상기 슬러지층(110) 내의 상기 호기성 미생물은, 질산화 미생물일 수 있다. 상기 슬러지층(110) 내의 상기 혐기성 미생물은, 탈질화 미생물일 수 있다. 상기 탈질화 미생물은, Candidatus Kuenenia, Candidatus Brocadia, Candidatus Anammoxoglobus, Candidatus Jettenia, 및 Candidatus Scalindua 등으로 이루어진 아나목스 박테리아(Anammox bacteria, 300) 군 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 아나목스 박테리아(300)는, 아나목소좀(310), 세포질(320), 및 세포막(330)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 아나목스 박테리아(300)의 세포는, 상기 세포의 코어로 상기 아나목소좀(310)을 포함하고, 상기 세포의 쉘로 상기 세포질(320)을 포함하는 코어-쉘 구조의 세포일 수 있다. 상기 코어-쉘 구조 세포의 최외각은, 상기 세포막(330)으로 둘러싸일 수 있다.
상기 아나목소좀(310)은, HAO(hydroxylamine oxidoreductase) 등의 효소를 포함할 수 있다. 상기 세포질(320)은 핵양체, 및 리보좀을 포함하는 Riboplasm일 수 있다. 상기 세포막(330)은 Paryphoplasm일 수 있다.
상기 아나목스 박테리아(300)는, 혐기성 조건에서 암모늄(NH4), 및 아질산(NO2)을 약 1:1.32의 비율로 소모하여, 약 90 %의 질소가스(N2), 및 약 10 %의 질산염(NO3)을 생성함과 동시에 에너지를 방출하는, 아나목스 반응을 일으킬 수 있다. 상기 아나목스 반응이 일어나기 위한 상기 암모늄(NH4), 및 상기 아질산(NO2)의 화학양론 비는 하기 <화학식 2>와 같다.
<화학식 2>
1NH4 + + 1.32NO2 - + 0.066HCO3 - + 0.13H+ → 0.066CH2O0.5N0.15 + 1.02N2 + 0.26NO3 - + 2.03H2O
상기 <화학식 2>에 따른 상기 아나목스 반응은, 상기 아나목스 박테리아(300) 내부의 상기 아나목소좀(310)에서 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 아나목소좀(310)의 내부, 또는 상기 아나목소좀(310)과 상기 세포질(320)의 경계에서 생화학 반응이 일어날 수 있다. 다시 말하면, 상기 아나목소좀(310)의 내부, 또는 상기 아나목소좀(310)과 상기 세포질(320)의 경계는, 상기 생화학 반응을 일으키는 효소들을 포함할 수 있다.
상기 아나목소좀(310)에 있는 상기 효소들은 수산화아민(Hydroxylamine, NH2OH), 및 히드라진(Hydrazine, NH2NH2)을 모두 산화하면서 상기 아나목스 반응을 촉진할 수 있다. 먼저, 상기 효소들 중에 하나인, HH(Hydrazine Hydrolase)효소가 수계에 존재하고 있던 암모늄(NH4)을 상기 히드라진(NH2NH2)으로 전환하고, 상기 효소들 중에 다른 하나인, HAO(Hydroxylamine oxidoreductase)효소가 상기 히드라진(NH2NH2)을 질소가스(N2)로 산화시키면서 4 개의 전자가 발생될 수 있다. 이어서, 상기 효소들 중에 또 다른 하나인, NIR(Nitrite reductase)효소가 상기 4 개의 전자를 사용하여 주변에 있는 아질산염(NO2)을 상기 수산화아민(NH2OH)으로 전환시킬 수 있다. 마지막으로, 상기 HH효소에 의해, 전환된 상기 수산화아민(NH2OH)과 주변에 존재하고 있던 상기 암모늄(NH4)이 다시 상기 히드라진(NH2NH2)으로 전환되고, 상기 HAO효소에 의해, 상기 질소가스(N2)가 발생되는 순환이 지속적으로 이루어질 수 있다. 이때, 상술한 <화학식 2>에따라, 상기 NIR효소가 상기 아질산염(NO2)을 상기 수산화아민(NH2OH)으로 전환하는 과정에서 0.26 몰의 질산염(NO3)이 생성되게 되며, 이것은 전체 질소화합물 물질수지에서 약 10 % 정도를 차지할 수 있다.
유기화합물, 및 질소화합물을 포함하는 합성폐수가 준비될 수 있다(S120).
상기 합성폐수는 산소, 및 고농도의 유기물을 포함한 난분해성 산업폐수, 및 가축폐수일 수 있다. 상기 합성폐수 내에 포함된 상기 유기화합물은, 혐기성 조건에서, 탄소원과 에너지원으로 유기물을 사용하는 혐기성 미생물의 물질 대사에 이용될 수 있다. 상기 합성폐수 내에 포함된 상기 질소화합물은, 호기성 조건에서 에너지원으로 암모니아, 및 아질산을 사용하는 호기성 미생물의 물질 대사에 이용될 수 있다.
상기 슬러지층(110)으로, 상기 합성폐수가 유입될 수 있다(S130).
상기 합성폐수는 상기 처리조(100)의 상기 액체 유입구(140)를 통해 상기 처리조(100)의 상기 슬러지층(110)으로 유입될 수 있다. 상기 처리조(100)의 상기 슬러지층(110)으로, 상기 합성폐수를 일정시간 동안 연속적으로 흘려주어, 상기 슬러지층(110)의 부상을 최소할 수 있다. 상기 슬러지층(110)의 부상이 최소화됨에 따라, 상기 혐기성 미생물의 유실을 방지할 수 있다.
상기 슬러지층(110)에서 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물, 및 상기 질소화합물이 분해될 수 있다(S140).
구체적으로, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물, 및 상기 질소화합물은, 하기 제1 단계, 및 제2 단계에 의해 분해될 수 있다.
제1 단계는, 하기 <화학식 3>와 같이, 호기성 조건에서, 제1 산화 반응에 의해 암모늄이온(NH4 +)이 아질산이온(NO2 -)으로 전환되고, 제2 산화 반응에 의해 상기 아질산이온(NO2 -)이 질산이온(NO3 -)으로 전환되는 질산화 반응일 수 있다. 상기 제1 산화반응은, 호기성 조건에서, 전자 수용체로 산소를 사용하고, 에너지원으로 암모니아를 사용하는 호기성 미생물에 의해 질소화합물이 산화되는 질산화 반응일 수 있다. 상기 제2 산화반응은, 호기성 조건에서, 전자 수용체로 산소를 사용하고, 에너지원으로 아질산염을 사용하는 호기성 미생물에 의해 질소화합물이 산화되는 질산화 반응일 수 있다.
<화학식 3>
2 NH4 + + 3O2 → 2 NO2 - + 4H+ + 2H2O (제1 산화)
2 NO2 + 3O2 → 2 NO3 - (제2 산화)
상기 제2 단계는, 하기 <화학식 4>과 같이, 혐기성 조건에서, 전자 수용체로 산소대신 아질산염, 및 질산염을 사용하고, 탄소원과 에너지원으로 유기물을 사용하는 혐기성 미생물에 의해 질소화합물이 질소가스로 환원되는 탈질화 반응일 수 있다.
<화학식 4>
NH4 + + NO2 - → N2 + 2H2O
상기 합성폐수에 포함된 상기 산소 또는 상기 유기물이, 상기 처리조(100)의 상기 슬러지층(110) 내부에서 상기 호기성 미생물에 의해 소모됨에 따라, 상기 슬러지층(110) 내부의 상기 혐기성 미생물의 성장에 적합한 환경을 조성할 수 있고, 폐슬러지의 발생을 최소화할 수 있다.
상기 처리조(100)는 메인 분리막(170)을 포함할 수 있다. 상기 메인 분리막(170)은, 상기 처리조(100)의 천장면의 법선 방향으로 상기 처리조(100)의 바닥면을 향해 연장하되, 상기 처리조(100)의 상기 바닥면과 이격될 수 있다.
상기 메인 분리막(170)에 의해, 상기 처리조(100)의 상기 슬러지층(110)이 제1 영역(190), 및 제2 영역(200)으로 구분될 수 있다. 상기 메인 분리막(170)은 상기 슬러지층(110)을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 영역(190)에서 상기 제2 영역(200)으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다. 상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)은 호기성 미생물을 포함할 수 있고, 상기 슬러지층(110)의 상기 제2 영역(200)은 혐기성 미생물을 배양할 수 있다.
상기 제1 영역(190)은, 호기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수내의 질소화합물이, 상기 호기성 미생물에 의해 산화되는, 질산화 영역일 수 있다. 다시 말하면, <화학식 3>에서 상술된 바와 같이, 상기 제1 영역(190)은, 상기 제1 산화 반응에 의해 상기 암모늄이온(NH4 +)이 상기 아질산염이온(NO2 -)으로 전환되고, 상기 제2 산화 반응에 의해 상기 아질산염이온(NO2 -)이 상기 질산염이온(NO3 -)으로 전환되는 질산화 영역일 수 있다.
상기 제2 영역(200)은, 혐기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수내의 질소화합물이, 상기 혐기성 미생물에 의해 환원되는, 탈질화 영역일 수 있다. 다시 말하면, <화학식 4>에서 상술된 바와 같이, 상기 제2 영역(200)은, 환원 반응에 의해 상기 아질산염이온(NO2 -), 및 상기 질산염이온(NO3 -)이 질소가스(N2)로 전환되는 탈질화 영역일 수 있다.
상기 환원 과정에서 생성된 상기 질소가스(N2)는 상기 처리조(100)의 상기 가스 배출구(150)를 통해 배출될 수 있다.
상기 질산화 영역(제1 영역(190)), 및 상기 탈질화 영역(제2 영역(200))이 상기 처리조(100) 내에 공존함에 따라, 상기 처리조(100) 내부에 별도로 탄소원을 공급하지 않고, 상기 합성폐수 내의 유기물이 상기 탄소원이 되어 상기 탈질화 공정이 진행되므로 산소 소요량과 약품량을 절감할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 상술된 본 발명의 제1 실시 예와 달리, 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따르면, 상기 메인 분리막(170)에 의해 구분되는, 상기 제1 영역(190), 및 상기 제2 영역(200)의 비율이 조절될 수 있다. 이하, 도 4, 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따른 처리조가 설명된다.
도 4, 및 도 5는 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따른 메인 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4, 및 도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 처리조(100)는, 상기 슬러지층(110), 상기 액체층(120), 및 상기 가스층(130)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 처리조(100)는, 상기 액체 유입구(140), 상기 가스 배출구(150), 및 상기 액체 유출구(160)를 포함할 수 있다.
상기 처리조(100)는 상기 메인 분리막(170)을 포함할 수 있다. 상기 메인 분리막(170)은, 상기 처리조(100)의 상기 천장면의 법선 방향으로 상기 처리조(100)의 상기 바닥면을 향해 연장하되, 상기 처리조(100)의 상기 바닥면과 이격될 수 있다.
상기 메인 분리막(170)에 의해, 상기 처리조(100)의 상기 슬러지층(110)이 상기 제1 영역(190), 및 상기 제2 영역(200)으로 구분될 수 있다. 상기 메인 분리막(170)은 상기 슬러지층(110)을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 영역(190)에서 상기 제2 영역(200)으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 상술된 바와 달리, 도 4를 참조하면, 상기 메인 분리막(170)은 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
상기 메인 분리막(170)이 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽을 향해 소정 폭 이동됨에 따라, 상기 메인 분리막(170)에 의해 구분된, 상기 제2 영역(200) 대비 상기 제1 영역(190)의 비율이 감소할 수 있다. 다시 말하면, 상기 처리조(100)로 유입되는 상기 합성폐수 내의 상기 산소 농도, 및 상기 유기물 양이 감소함에 따라, 상기 메인 분리막(170)이 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 상술된 바와 달리, 도 5를 참조하면, 상기 메인 분리막(170)은 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽에 대항하는 상기 타 측벽을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
상기 메인 분리막(170)이 상기 처리조의 상기 타 측벽을 향해 소정 폭 이동됨에 따라, 상기 메인 분리막(170)에 의해 구분된, 상기 제2 영역(200) 대비 상기 제1 영역(190)의 비율이 증가할 수 있다. 다시 말하면, 상기 처리조(100)로 유입되는 상기 합성폐수 내의 상기 산소 농도, 및 상기 유기물 양이 증가함에 따라, 상기 메인 분리막(170)이 상기 처리조의(100) 상기 타 측벽을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)은 상기 호기성 미생물을 포함할 수 있고, 상기 슬러지층(110)의 상기 제2 영역(200)은 상기 혐기성 미생물을 배양할 수 있다.
상기 제1 영역(190)은, 호기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수내의 상기 질소화합물이, 상기 호기성 미생물에 의해 산화되는, 질산화 영역일 수 있다. 상기 제2 영역(200)은, 혐기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 질소화합물이, 상기 혐기성 미생물에 의해 환원되는, 탈질화 영역일 수 있다.
상기 환원 과정에서 생성된 상기 질소가스(N2)는 상기 처리조의 상기 가스 배출구(150)를 통해 배출될 수 있다.
상기 질산화 영역(제1 영역(190)), 및 상기 탈질화 영역(제2 영역(200))이 상기 처리조(100) 내에 공존함에 따라, 상기 처리조(100) 내부에 별도로 탄소원을 공급하지 않고, 상기 합성폐수 내의 유기물이 상기 탄소원이 되어 탈질화 공정이 진행될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 상술된 본 발명의 제1 실시 예, 및 그 변형 예와 달리, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 처리조(100)는 보조 분리막(180)을 추가로 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 보조 분리막(180)은, 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽의 법선 방향으로 상기 처리조(100)의 상기 타 측벽을 향해 연장하되, 상기 처리조(100)의 상기 메인 분리막(170)과 이격될 수 있다.
상기 보조 분리막(180)에 의해, 상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)이 제1 서브영역(191), 및 제2 서브영역(192)으로 구분될 수 있다. 상기 제2 서브영역(192)은, 상기 제1 서브영역(191)과 상기 처리조(100)의 상기 바닥면 사이의 영역일 수 있다.
상기 보조 분리막(180)은, 상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 서브영역(191)에서, 상기 제2 서브영역(192)으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
상기 슬러지층(110)의 상기 제1 서브영역(191)은 호기성 미생물을 포함할 수 있고, 상기 슬러지층(110)의 상기 제2 서브영역(192), 및 상기 제2 영역(200)은 혐기성 미생물을 배양할 수 있다.
상기 제1 서브영역(191)은, 호기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수내의 상기 질소화합물이, 상기 호기성 미생물에 의해 산화되는, 질산화 영역일 수 있다. 상기 제2 서브영역(192), 및 상기 제2 영역(200)은, 혐기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수내의 상기 질소화합물이, 상기 혐기성 미생물에 의해 환원되는, 탈질화 영역일 수 있다.
상기 질산화 영역(제1 영역(190)), 및 상기 탈질화 영역(제2 서브영역(192), 및 제2 영역(200))이 상기 처리조(100) 내에 공존함에 따라, 상기 처리조(100) 내부에 별도로 탄소원을 공급하지 않고, 상기 합성폐수 내의 유기물이 상기 탄소원이 되어 탈질화 공정이 진행될 수 있다.
도 6을 참조하여 상술된 본 발명의 제2 실시 예와 달리, 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따르면, 상기 보조 분리막(180)에 의해 구분되는, 상기 제1 서브영역(191), 및 상기 제2 서브영역(192)의 비율이 조절될 수 있다. 이하, 도 7, 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 처리조가 설명된다.
도 7, 및 도 8은 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 보조 분리막을 포함하는 처리조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7, 및 도 8을 참조하면, 도 6을 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 처리조(100)는 상기 보조 분리막(180)을 포함할 수 있다. 상기 보조 분리막(180)은, 상기 처리조(100)의 상기 일 측벽의 법선 방향으로 상기 처리조(100)의 상기 타 측벽을 향해 연장하되, 상기 처리조(100)의 상기 메인 분리막(170)과 이격될 수 있다.
상기 보조 분리막(180)에 의해, 상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)이 상기 제1 서브영역(191), 및 상기 제2 서브영역(192)으로 구분될 수 있다. 상기 제2 서브영역(192)은, 상기 제1 서브영역(191)과 상기 처리조(100)의 상기 바닥면 사이의 영역일 수 있다.
상기 보조 분리막(180)은 상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층(110)의 상기 제1 영역(190)으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 서브영역(191)에서 상기 제2 서브영역(192)으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
도 6을 참조하여 상술된 바와 달리, 도 7을 참조하면, 상기 보조 분리막(180)은 상기 처리조(100)의 상기 천장면을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
상기 보조 분리막(180)이 상기 처리조(100)의 상기 천장면을 향해 소정 폭 이동됨에 따라, 상기 보조 분리막(180)에 의해 구분된, 상기 제2 서브영역(192) 대비 상기 제1 서브영역(191)의 비율이 감소할 수 있다. 다시 말하면, 상기 처리조(100)로 유입되는 상기 합성폐수 내의 상기 산소 농도, 및 상기 유기물 양이 감소함에 따라, 상기 보조 분리막(180)이 상기 처리조(100)의 상기 천장면을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
도 6을 참조하여 상술된 바와 달리, 도 8을 참조하면, 상기 보조 분리막(180)은 상기 처리조(100)의 상기 천장면에 대항하는 상기 바닥면을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
상기 보조 분리막(180)이 상기 처리조(100)의 상기 바닥면을 향해 소정 폭 이동됨에 따라, 상기 보조 분리막(180)에 의해 구분된, 상기 제2 서브영역(192) 대비 상기 제1 서브영역(191)의 비율이 증가할 수 있다. 다시 말하면, 상기 처리조(100)로 유입되는 상기 합성폐수 내의 상기 산소 농도, 및 상기 유기물 양이 증가함에 따라, 상기 보조 분리막(180)이 상기 처리조(100)의 상기 바닥면을 향해 소정 폭 이동될 수 있다.
상기 슬러지층(110)의 상기 제1 서브영역(191)은 호기성 미생물을 포함할 수 있고, 상기 슬러지층(110)의 상기 제2 서브영역(192), 및 상기 제2 영역(200)은 혐기성 미생물을 배양할 수 있다.
상기 제1 서브영역(191)은, 호기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 질소화합물이, 상기 호기성 미생물에 의해 산화되는, 질산화 영역일 수 있다. 상기 제2 서브영역(192), 및 상기 제2 영역(200)은, 혐기성 조건에서, 상기 슬러지층(110)으로 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 질소화합물이, 상기 혐기성 미생물에 의해 환원되는, 탈질화 영역일 수 있다.
상기 환원 과정에서 생성된 상기 질소가스는 상기 처리조(100)의 상기 가스 배출구(150)를 통해 배출될 수 있다.
상기 질산화 영역(제1 서브영역(191)), 및 상기 탈질화 영역(제2 서브영역(192), 및 제2 영역(200))이 상기 처리조(100) 내에 공존함에 따라, 상기 처리조(100) 내부에 별도로 탄소원을 공급하지 않고, 상기 합성폐수 내의 유기물이 상기 탄소원이 되어 탈질화 공정이 진행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 제공된 처리조를 포함하는 수 처리 시스템의 사진이다.
도 9를 참조하면, 상기 수처리 시스템은, 합성폐수를 인입하는 폐수공급장치와, 상기 제1 실시 예에 따라 제공된 상기 처리조(100)와, 정화된 상기 합성폐수를 수용하는 다른 처리조가 일련의 과정으로 연결되어 있는 것을 확인 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 이용한 구체적인 실험 예가 설명된다.
실시 예 1에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
수 처리 공정을 실행하기 위한 처리조로, 활성 슬러지층이 포함된 처리조를 준비하였다.
상기 처리조 내부의 온도는 35 ℃로 유지하였고, 수소이온농도(pH)는 7 내지 8 사이로 조정하였다.
상기 처리조는 혐기성 조건으로 유지 하였다.
혼합용액으로, KHCO3, KH2PO4, MgSO4, CaCl2, FeSO4, EDTA, ZnSO47H2O, CoCl26H2O, MnCl24H2O, CuSO45H2O, NaMoO42H2O, NiCl26H2O, NaSeO410H2O, 및 H3BO4을 포함하는 용액을 준비하였다.
상기 혼합용액에, (NH4)2SO4, 및 NaNO2를 첨가하여, 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도가 50 mg/L이 되도록, 실시 예 1에 따른 합성폐수를 준비하였다.
상기 합성폐수를, 상기 처리조의 상기 활성 슬러지층으로 인입하여, 상기 슬러지층 내부에 아나목스 박테리아를 배양하였다.
상기 아나목스 박테리아의 배양시간은, 초기 1일 수리학적체류시간(Hydraulic retention time)을 시작으로 70 일까지 유지하여, 실시 예 1에 따른 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 2에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도가 120 mg/L이 되도록 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 90 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 3에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도가 150 mg/L이 되도록 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 120 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 4에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도가 220 mg/L이 되도록 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 200 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 5에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도가 350 mg/L이 되도록 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 250 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 6에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도가 400 mg/L이 되도록 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 350 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 7에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도가 400 mg/L이 되도록 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 450 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
비교 예 1에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로, 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 1 일로 유지하여, 비교 예 1에 따른 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 1 내지 실시 예 7, 비교 예 1에 따른 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도, 및 아나목스 박테리아의 배양시간은 아래의 <표 1>과 같이 정리될 수 있다.
구분 합성폐수에 포함된 총 질소의 농도 아나목스 박테리아의 배양시간
실시 예 1 50 mg/L ~70 day
실시 예 2 120 mg/L ~90 day
실시 예 3 150 mg/L ~120 day
실시 예 4 220 mg/L ~200 day
실시 예 5 350 mg/L ~250 day
실시 예 6 400mg/L ~350 day
실시 예 7 400mg/L ~450 day
비교 예 1 50 mg/L 1 day
도 10은 본 발명의 실시 예 1 내지 실시 예 7, 및 비교 예 1에 따라, 아나목스 박테리아의 배양시간 경과에 따른 합성폐수에 포함된 총 질소의 제거 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 실시 예 5에 따라, 상기 합성폐수에 포함된 상기 총 질소의 농도가 350 mg/L이 되도록 상기 합성폐수를 준비하고, 상기 아나목스 박테리아가 배양되는 상기 처리조의 상기 슬러지층으로, 상기 합성폐수를 유입하였을 경우, 실시 예 5에 따라, 상기 슬러지층 내부에 상기 아나목스 박테리아의 배양시간이 약 250 일이 경과한 이후부터, 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 총 질소가 80 % 이상 제거되는 것을 확인할 수 있다.
다시 말하면, 상기 실시 예 1에 따라, 상기 처리조 내부에 상기 활성 슬러지층을 포함하고, 상기 처리조 내부의 온도가 35 ℃로 유지되며, 상기 처리조 내부의 수소이온농도(pH)가 7 내지 8 사이로 조정되는 환경에서, 상기 처리조 내부가 상기 혐기성 조건으로 유지된다면, 상기 아나목스 박테리아가 상기 처리조 내부에서 배양되기 적합하다 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시 예 1의 변형 예에 따른 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템을 이용한 구체적인 실험 예가 설명된다.
실시 예 8에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, <화학식 2>에서 상술된 바와 같이, 암모늄(NH4), 및 아질산염(NO2)의 화학양론 비율이 1:1.32가 되도록, 18 mg/L의 암모늄이온(NH4 +)이 포함된 (NH4)2SO4, 및 24 mg/L의 아질산염이온(NO2 -)이 포함된 NaNO2를 상기 혼합용액에 첨가하여, 실시 예 8에 따른 합성폐수를 준비였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로, 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 9에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 36 mg/L의 암모늄이온(NH4 +)이 포함된 (NH4)2SO4, 및 48 mg/L의 아질산염이온(NO2 -)이 포함된 NaNO2를 상기 혼합용액에 첨가하여 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 120 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 10에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 90 mg/L의 암모늄이온(NH4 +)이 포함된 (NH4)2SO4, 및 119 mg/L의 아질산염이온(NO2 -)이 포함된 NaNO2를 상기 혼합용액에 첨가하여 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 250 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 11에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 합성폐수를 준비하되, 130 mg/L의 암모늄이온(NH4 +)이 포함된 (NH4)2SO4, 및 172 mg/L의 아질산염이온(NO2 -)이 포함된 NaNO2를 상기 혼합용액에 첨가하여 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 1과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 450 일까지 유지하여 아나목스 박테리아를 배양하였다.
비교 예 2에 따른 합성폐수의 준비, 및 아나목스 박테리아의 배양
상술된 실시 예 8과 동일한 방법으로, 합성폐수를 준비하였다.
상술된 실시 예 8과 동일한 방법으로 아나목스 박테리아를 배양하되, 아나목스 박테리아의 배양시간을 1 일로 유지하여, 비교 예 2에 따른 아나목스 박테리아를 배양하였다.
실시 예 8 내지 실시 예 11, 비교 예 2에 따른 합성폐수에 포함된 질소화합물의 농도, 및 아나목스 박테리아의 배양시간은 아래의 <표 2>와 같이 정리될 수 있다.
구분 합성폐수에 포함된 질소화합물의 농도 아나목스 박테리아의 배양시간
NH4 + NO2 -
실시 예 8 18 mg/L 24 mg/L ~70 day
실시 예 9 36 mg/L 48 mg/L ~120 day
실시 예 10 90 mg/L 119 mg/L ~250 day
실시 예 11 130 mg/L 172 mg/L ~450 day
비교 예 2 18 mg/L 24 mg/L 1 day
도 11은 본 발명의 실시 예 8 내지 실시 예 11, 및 비교 예 2에 따라, 아나목스 박테리아의 배양시간 경과에 따른 합성폐수에 포함된 질소화합물의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, <화학식 2>에서 상술된 바와 같이, 상기 합성폐수 내의 상기 암모늄(NH4), 및 상기 아질산염(NO2)의 화학양론 비율이 1:1.32가 되도록, 실시 예 8 내지 실시 예 11에 따라 합성폐수를 준비하고, 상기 아나목스 박테리아가 배양되는 상기 처리조의 상기 슬러지층으로, 상기 합성폐수를 유입하였을 경우, 상기 슬러지층 내부에 실시 예 8 내지 실시 예 11에 따라 배양된 상기 아나목스 박테리아에 의해, 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 암모늄(NH4), 및 상기 아질산염(NO2)이 90 % 이상 제거되어, 정화되어 유출된 상기 합성폐수 내에서 상기 암모늄(NH4), 및 상기 아질산염(NO2)이 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다.
다시 말하면, 합성폐수 내의 질소화합물이 암모늄(NH4), 및 아질산염(NO2)을 포함하고, 상기 암모늄(NH4), 및 아질산염(NO2)의 화학양론 비가 1:1.32인 경우, 상기 합성폐수에 포함된 상기 질소화합물의 농도(1NH4 + 1.32NO2)가 배수로 증가하여도, 아나목스 박테리아의 배양시간이 경과함에 따라, 상기 아나목스 박테리아가 상기 질소화합물을 90 % 이상 효율적으로 제거할 수 있다는 것을 의미한다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 처리조의 슬러지층 내부에 포함된 미생물의 군집분포 변화를 나타낸 그래프이다.
상기 미생물의 군집분포 변화를 관찰하기 위해, 미생물 유전자를 검출하는 미생물 종분석 방법을 사용하여, 상기 슬러지층 내부에 포함된 미생물 군집 중에 아나목스 박테리아가 포함되는지 여부를 판단하고, 포함된 상기 아나목스 박테리아의 종을 규명하였다.
아나목스 반응으로 판단된 반응기 내의 아나목스 박테리아를 규명하기 위하여, 시료에서 추출한 세균 DNA의 16S rRNA 유전자를 증폭하여 분석하는 기법을 사용하였다.
대조군의 시료로, 아나목스 반응이 일어나기 전의 슬러지를 사용하고, 실험군의 시료로, 아나목스 반응이 일어난 후의 슬러지를 사용하여, 각 슬러지 내부의 미생물 군집을 비교 조사하였다.
도 12를 참조하면, 상기 대조군의 시료에서는, 상기 아나목스 반응이 일어나지 않아, 상기 슬러지 내부에 아나목스 박테리아가 발견되지 않은 것을 확인할 수 있다.
반면에, 상기 실험군의 시료에서는, 상기 아나목스 반응이 일어나, 상기 슬러지 내부에 아나목스 박테리아가 발견되었고, 발견된 상기 아나목스 박테리아는 Candidatus Brocadia로 규명되었다.
상기 처리조의 상기 슬러지층 내부에서 5 개월 동안 배양된 상기 Candidatus Brocadia는, 상기 슬러지층 내부의 총 미생물 군집 중에 1.445 %의 비율을 차지하였고, 8 개월 동안 배양된 상기 Candidatus Brocadia는, 상기 슬러지층 내부의 총 미생물 군집 중에 15.895 %의 비율을 차지하였으며, 10 개월 동안 배양된 상기 Candidatus Brocadia는, 상기 슬러지층 내부의 총 미생물 군집 중에 33.703 %의 비율을 차지하는 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수 처리 방법, 및 수 처리 시스템에 의하면, 상기 처리조 내의 상기 슬러지층에서 상기 Candidatus Brocadia로 규명되는, 상기 아나목스 박테리아가 배양될 수 있고, 상기 슬러지층에서 상기 아나목스 박테리아의 배양시간이 경과함에 따라, 상기 아나목스 박테리아가 증식된다는 것을 의미한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 처리조
110: 슬러지층
120: 액체층
130: 가스층
140: 액체 유입구
150: 가스 배출구
160: 액체 유출구
170: 메인 분리막
180: 보조 분리막
190: 제1 영역
191: 제1 서브영역
192: 제2 서브영역
200: 제2 영역
300: 아나목스 박테리아(Anammox bacteria)
310: 아나목소좀(Anammoxosome)
320: 세포질(Cell cytoplasm)
330: 세포막(Cell membrane)

Claims (13)

  1. 내부에 슬러지층이 제공된 처리조가 준비되는 단계;
    유기화합물, 및 질소화합물을 포함하는 합성폐수가 준비되는 단계;
    상기 슬러지층으로, 상기 합성폐수가 유입되는 단계; 및
    상기 슬러지층에서 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물, 및 상기 질소화합물이 분해되는 단계를 포함하되,
    상기 처리조는, 상기 슬러지층을 제1 영역, 및 제2 영역으로 구분하는 메인 분리막을 포함하고, 상기 메인 분리막은 상기 슬러지층을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 경로를 제공하고,
    상기 제1 영역에서, 호기성 미생물에 의해 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해되고,
    상기 제2 영역에서, 혐기성 미생물에 의해 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해되는 것을 포함하는 수 처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 처리조는, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을, 제1 서브영역, 및 상기 제1 서브영역과 상기 처리조의 바닥면 사이의 제2 서브영역으로 구분하는 보조 분리막을 더 포함하는 수 처리 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 보조 분리막은, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 서브영역에서, 상기 제2 서브영역으로 이동하는 경로를 제공하는 것을 포함하는 수 처리 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물의 양이 증가할수록, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역 내의, 상기 제1 서브영역 대비 상기 제2 서브영역의 비율이 줄어드는 것을 포함하는 수 처리 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 서브영역에서 상기 호기성 미생물에 의해 상기 합성폐수의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해되고, 상기 제2 서브영역, 및 상기 제2 영역에서 상기 혐기성 미생물에 의해 상기 합성폐수의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이 분해되는 것을 포함하는 수 처리 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 질소화합물은, 암모늄(NH4), 및 아질산(NO2)을 포함하는 수 처리 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 혐기성 미생물은, Candidatus Kuenenia, Candidatus Brocadia, Candidatus Anammoxoglobus, Candidatus Jettenia, 및 Candidatus Scalindua 등으로 이루어진 아나목스 박테리아(Anammox bacteria) 군 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 수 처리 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 슬러지층으로 유입된 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물 및 상기 질소화합물이, 상기 혐기성 미생물에 의하여, 산화 환원 반응을 통해 질소가스로 분해되는 것을 포함하는 수 처리 방법.
  9. 메인 분리막을 포함하는 처리조를 포함하고,
    상기 메인 분리막은 상기 처리조 내부에 제공되는 슬러지층을 제1 영역 및 제2 영역으로 구분하되,
    상기 메인 분리막은 상기 슬러지층을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층으로 유입된 합성폐수가 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 이동하는 경로를 제공하고,
    상기 경로는, 상기 메인 분리막 및 상기 처리조의 바닥면 사이에 제공되는 것을 포함하는 수 처리 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 처리조는, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을, 제1 서브영역, 및 상기 제1 서브영역과 상기 처리조의 바닥면 사이의 제2 서브영역으로 구분하는 보조 분리막을 더 포함하는 수 처리 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 보조 분리막은, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역을 부분적으로 차단하여, 상기 슬러지층의 상기 제1 영역으로 유입된 상기 합성폐수가 상기 제1 서브영역에서, 상기 제2 서브영역으로 이동하는 경로를 제공하는 것을 포함하는 수 처리 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 보조 분리막은, 상기 처리조의 일 측벽에서 상기 처리조의 타 측벽을 향해 연장되고, 상기 합성폐수 내의 상기 유기화합물의 양에 따라, 상기 보조 분리막과 상기 처리조의 바닥면 사이의 거리가 조절되는 것을 포함하는 수 처리 시스템.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 메인 분리막은, 상기 처리조의 천장면에서 상기 처리조의 바닥면을 향해 연장된 것을 포함하는 수 처리 시스템.


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