KR20190075188A - 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치 - Google Patents

미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물을 고농도로 부착한 담체로 고농도의 질소를 함유한 하·폐수를 처리할 수 있게 구성하므로, 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙(2016년 1월 1일부터 적용)에서 정한 총질소량(T-N) 기준(30㎎/L)보다 낮은 10㎎/L 이하로 처리할 수 있다. 또한, 본 발명은 담체에 미생물이 고농도로 부착하게 하므로, 수질과 탄소대 질소 비(C/N비)의 다양한 변화에도 적용할 수 있고, 특히 체류 시간(HRT)을 줄여 하·폐수처리 시간을 줄일 수 있다. 그리고, 본 발명은 이처럼 체류시간과 슬러지를 줄일 수 있으므로, 처리장치의 전체 크기를 줄이면서도 처리 효과를 더욱 높일 수 있을 뿐만 아니라 슬러지 등을 처리하는 후처리 공정을 없애 유지 보수 비용을 줄일 수 있다.

Description

미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치{TREATMENT APPARATUS FOR WASTEWATER WITH HIGH STRENGTH NITROGEN USING MICROORGANISM IMMOBILIZED HIGH MOLECULE MEDIA}
본 발명은 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미생물을 고정화한 고분자 담체를 이용하여 고농도 질소를 함유한 폐수를 처리하고, 특히 총질소(T-N) 기준으로 '수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙(청정지역 기준, 2016년 1월 1일부터 적용)'에서 정한 기준인 30㎎/L보다 낮은 10㎎/L 이하로 처리할 수 있고, 또한 슬러지 생성을 줄일 수 있게 한 것이다.
우리나라는 생활오수, 농축산폐수 그리고 산업폐수와 같은 점오염원과 비점오염원 등에서 집수한 하·폐수를 화학약품 처리와 물리적인 여과 방법으로 처리하고 있으며, 근래에 와서는 미생물을 증식 배양한 담체를 이용한 하·폐수 처리 기술이 사용되고 있다.
여기서, 담체는 생물 반응조 내부에서 미생물이 잘 증식·생장할 수 있도록 부착 표면을 제공하기 위한 것으로, 처리하고자 하는 기질과 미생물 사이의 접촉 기회를 늘려 처리 효과를 높이게 하는 목적도 가진다. 이러한 담체는, 아래의 (특허문헌) 1 내지 (특허문헌 3)과 같이, 다양하게 제작하여 사용하고 있으며, 아래의 (특허문헌 4)와 같은 오폐수 처리장치로 오폐수를 처리한다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제1344801호
미생물을 포괄고정화하는 포괄고정화 담체로서, 상기 포괄고정화 담체가 질화 세균을 함유하는 오니를 포괄고정화한 것이며, 상기 오니가 활성오니에 정수 오니나 무기응집제, 무기물을 첨가한 것이며, 상기 오니의 VSS/SS가 0.1∼0.3의 범위이고, 상기 포괄고정화 담체 중의 상기 오니의 SS 농도가 2질량% 이상, 상기 오니의 평균 입경이 10㎛∼30㎛의 범위, 상기 포괄고정화 담체 중의 상기 오니의 VSS 농도가 0.2질량%∼2질량%의 범위인 것을 특징으로 하는 포괄고정화 담체를 제공한다.
(특허문헌 2) 한국등록특허 제1492833호
오폐수 정화용 담체 및 이의 제조방법에 관한 것으로 하수 슬러지 30 내지 80 중량%, 글라스 비드 10 내지 60 중량% 및 발포제 0.5 내지 10 중량%를 포함하여 제조된 후 액상 종균제에 침지시킴으로써, 폐기물인 하수 슬러지를 이용하므로 재활용도가 증대되어 환경오염이 줄어들고 미생물의 부착이 증대되어 오폐수의 정화능력이 더욱 향상될 수 있다.
(특허문헌 3) 한국공개특허 제10-2017-0016126호
미생물 서식을 위한 비표멱적을 증대시키는 동시에 미생물의 표면부착력을 향상시킬 수 있도록 한 하·폐수 처리용 미생물 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 길이방향으로 연속해서 성형된 후 "8"자 모양으로 열가압 성형되는 속이 빈 중공체; 중공체의 내외측에 방사형으로 형성되고, 단부에 스크래치가 형성되는 미생물부착리브; 중공체의 내측에서 중심을 향해 형성되는 내부 결합 훅; 중공체의 내측에서 상기 내부 결합 훅과 마주보는 방향으로 형성되어 중공체를 "8"자 모양으로 열가압 성형할 때 상기 내부 결합 훅과 서로 맞물려 결합이 되는 내부 걸림 리브; 중공체의 외측에 형성되는 외부 걸림 리브; 및 외부 걸림 리브와 대칭되는 위치인 중공체의 외측에 형성되어 인접한 다른 중공체에 형성된 외부 걸림 리브와 결합이 되는 외부 결합 훅을 포함한다.
(특허문헌 4) 한국등록특허 제0527172호
폭기조에 슬러지층이 형성된 혐기조를 일체로 형성하여 호기성 상태에서 오염물질을 산화·분해한 뒤 통성 혐기성 및 혐기성 상태에서의 유기물질과 질소제거, 그리고 인을 과잉 섭취한 슬러지의 제거로 인의 제거도 동시에 이루어지도록 함과 아울러, 축산폐수 및 분뇨등 고농도의 질소를 함유하는 오폐수의 성상 및 요구되는 처리수질에 따라 상기 공정을 단단 또는 다단계로 반복함으로써, 처리효율이 향상되도록 함은 물론, 특히 혐기조에 설치되는 교반기의 메시 또는 바아 형상의 임펠러를 완속으로 회전 구동하여 혐기조 내부를 골고루 저어주고, 상기 폭기조의 하측에 하/폐수의 처리에 필요한 산소를 공급하기 위하여 다수개 설치되는 공기 분출구 상측에 미생물 활성 유도제가 충진된 타원 형상의 펠렛트 용기의 하측 및 상부 주면에 와이어 메쉬를 형성하여, 상기 하/폐수가 원활하게 펠렛트 용기 내부로 유입 및 외부로 유출되는 교반 작용을 수행하여 호기성 미생물을 활성화시켜, 혐기조 및 폭기조 내부에 전체적인 반응을 유도하여 오염물질의 처리와 질소가스의 배출을 용이하게 하면서, 혐기성 슬러지를 용이하게 관리할 수 있는 축산폐수 및 분뇨등 고농도의 질소를 함유하는 오폐수 처리장치 및 방법에 관한 것이다. 그 기술적인 구성은, 폭기단계에서 폭기조의 일측에는 혐기조를 정의하는 격벽을 형성하되 상기 혐기조의 하부는 폭기조와 연통 되도록 하고, 혐기조의 상부는 처리수 유출구를 형성하며, 상기 혐기조 내부에는 전체적인 반응을 위하여 완속으로 회전 구동되는 임펠러가 다수개 형성되는 교반기를 설치하여, 혐기조 내부에는 교반기를 통한 교반으로 통성 혐기성 슬러지층 및 혐기성 슬러지층에 의한 통성 혐기성 및 혐기성 상태가 유지되며, 펠렛트 용기가 설치된 폭기조 내부는 폭기조 하측의 공기 분출구를 통하여 공급되는 공기에 의하여 적정 산소분압에 의한 호기성 상태가 유지되고, 공기 분출구 상측에 설치되는 미생물 활성유도제가 충진된 타원 형상의 펠렛트(Pellet)용기 내부에 와이어 메쉬를 통한 하/폐수의 유입 및 외부 유출 작용에 의한 교반 작용의 수행에 의해, 호기성 상태에 의한 오염물질 산화 및 분해와, 혐기성 상태에 의한 유기물질 및 질소와 인의 제거를 수행하는 것을 요지로 한다.
하지만, 기존의 고농도 질소를 함유한 하·폐수를 처리하는 장치는 다음과 같은 문제가 있다.
(1) 하·폐수에 함유한 질소를 분리하는 데는, 경제적인 면이나 유지 관리 측면에서 보면 생물학적 처리가 가장 유리하다. 이에, 질소를 분리할 때 사용하는 미생물을 담체 형태로 제작하여 질산화 반응과 탈질 반응에 이용하나, 기존 담체로는 고농도 질소를 분리하는 데 한계가 있다.
(2) 특히, 담체는 그 표면에 미생물을 많이 고정해야 그만큼 질소 제거 효과를 높일 수 있으나, 기존 담체에는 미생물을 고정하는 데 어려움이 있어 고농도 질소 등을 함유한 하·폐수를 처리하는 데 어려움이 있다.
(3) 또한, 국내의 하·폐수 처리장에서 사용하는 기존 생물학적 처리 방법으로는 방류수의 농도를 낮추는 데 한계가 있고, 또한 하·폐수를 처리하여 유출수를 재사용할 수 있게 하려면 고도처리가 필요하게 된다.
(4) 그리고, 기존 담체로 하·폐수를 처리하면 슬러지가 많이 생겨서 이를 처리하는 별도 공정이 필요하게 된다.
(5) 이런 문제는 담체를 이용하여 질산화 반응과 탈질 반응을 이용하여 질소를 분리하는 하·폐수 처리장치의 처리 시간이 길어질 뿐만 아니라 유지 보수 비용과 처리 비용이 많이 필요하게 된다.
한국등록특허 제1344801호 (등록일 : 2013.12.18) 한국등록특허 제1492833호 (등록일 : 2015.02.06) 한국공개특허 제10-2017-0016126호 (공개일 : 2017.02.13) 한국등록특허 제0527172호 (등록일 : 2005.11.01)
본 발명은 이러한 점을 고려한 것으로, 미생물을 고농도로 부착한 담체로 강우나 비점오염원의 유입 등으로 고농도의 질소를 함유한 하·폐수를 처리할 수 있게 구성하므로, 국내 폐수종말처리시설의 방류수 수질 기준(수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙, 청정지역 기준, 2016년 1월 1일부터 적용)에서 정한 총질소량(T-N) 기준(30㎎/L)보다 낮은 10㎎/L 이하로 처리할 수 있게 한 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 담체에 미생물이 고농도로 부착하게 하므로, 수질과 탄소대 질소 비(C/N비)의 다양한 변화에도 적용할 수 있고, 특히 체류 시간(HRT)을 줄여 하·폐수처리 시간을 줄일 수 있게 한 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 이처럼 체류시간과 슬러지를 줄일 수 있으므로, 처리장치의 전체 크기를 줄이면서도 처리 효과를 더욱 높일 수 있을 뿐만 아니라 슬러지 등을 처리하는 후처리 공정을 없애 유지 보수 비용을 줄일 수 있게 한 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치는, 고농도 질소를 함유한 하·폐수를 처리하는 장치에서, 하·폐수를 공급받는 유입구(110), 제어기(121)를 통해 탄소원을 공급받는 제1 라인(120), 내부를 교반하는 교반기(130), 그리고 담체 선별기(141)를 갖춘 갖추고, 내부에는 미생물 고정화 고분자 담체를 충진하여 질산화 반응하게 하는 무산소 반응조(100); 및 상기 배수구(140)와 연결하여 질산화한 유입수를 공급받는 유입구(210), 상기 제어기(121)를 통해 pH를 조절할 수 있도록 NaOH를 공급받는 제2 라인(220), 내부를 교반하는 교반기(230), 담체 선별기(241)를 갖춘 배수구(240), 그리고 담체 선별기(251)를 갖추고 상기 무산소 반응조(100)로 내부 반송할 수 있도록 반송 라인(250)을 갖추고, 내부에는 미생물 고정화 고분자 담체를 충진하여 탈질 반응하게 하는 호기조 반응조(200);를 포함하되;, 상기 미생물 고정화 고분자 담체는, 50~70℃의 증류수 100중량비에 PVA(Polyvinyl Alcohol) 15~20중량비와 PEG(Polyethylene glycol) 5~10중량비의 비율로 혼합하고; 혼합한 혼합물을 고온고압 멸균기로 115~120℃ 온도에서 10~15분 동안 멸균과 가열하며; 멸균 가열한 혼합물을 35~45℃로 냉각한 다음, 질산화 세균과 탈질화 세균 중에서 적어도 한 종의 미생물을 투입하여 혼합하고; 미생물을 투입하여 혼합한 상기 혼합물을 성형 틀에 넣어 미생물 고정화 고분자 담체를 제작하며; 그리고 상기 미생물 고정화 고분자 담체를 35~45℃ 온도에서 3~4시간 건조한 다음 포화 농도(20℃ 기준)의 붕산(Boric acid)과 농도 1~2g/v%인 염화칼슘(Calcium chloride)에 1~2시간 넣어 가교한 것;을 특징으로 한다.
특히, 상기 성형 틀은, 깊이 0.5~1.5㎜이고 지름이 5~15㎜인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질산화 세균은 Nitrobacter sp. 및 Nitrosomonas europaea. 중에서 적어도 하나를 이용하고;, 상기 탈질화 세균은 Bacillus subtilis., Paracoccus denitrificans., 및 Pseudomonas sp. 중에서 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 미생물 고정화 고분자 담체는, (하·폐수량) :( 미생물 고정화 고분자 담체)의 부피비가 (100): (10~30)인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 NaOH는, 농도가 0.4~0.6%(V/V)인 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 상기 호기조 반응조(200)에는, 상기 호기조 반응조(200) 안에서 폭기를 생성할 수 있도록 폭기기(260);를 갖춘 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치는 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 특정 미생물을 고농도로 고정화한 담체를 이용하므로, 고농도 질소를 함유한 하·폐수에 대한 질산화와 탈질 효율을 높여 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙(청정지역 기준, 2016년 1월 1일부터 적용)에서 정한 총질소량(T-N) 기준(30㎎/L)보다 낮은 10㎎/L 이하로 낮출 수 있다.
(2) 특히, 질산화와 탈질 반응 후에 생기는 슬러지량을 줄일 수 있으므로, 하·폐수 처리장치의 크기를 줄일 수 있어 제조 비용과 유지관리 비용을 줄일 수 있다.
(3) 그리고, 담체에 미생물을 고농도로 고정화할 수 있으므로, 하·폐수를 오랫동안 체류하지 않아도 되므로, 처리 시간을 줄이면서도 수질 기준을 만족할 수 있을 뿐만 아니라 처리장치의 크기를 줄일 수 있다.
(4) 또한, 독성이 없거나 생분해성인 PVA(Polyvinyl alcohol)과 PEG(Polyethylene glycol)로 담체를 제작하므로 인체에 유해하지 않으면서도 분해가 잘 되어 친환경적이다.
(5) 이에, 고농도의 질소를 함유한 하·폐수를 처리할 수 있어 수질 정화를 통한 수계 환경과 일반 생활 환경을 개선할 수 있다.
[도 1]은 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 사진으로, (a)는 실시예 1을, (b)는 실시예 2를, (c)는 실시예 3을 각각 나타낸다.
[도 2]는 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체로 실시한 총질소(T-N) 제거율을 보여주는 그래프로, (a)는 실시예 1을, (b)는 실시예 2를, (c)는 실시예 3을 각각 나타낸다.
[도 3]은 본 발명의 [실시예 2]에 따른 미생물 고정화 고분자 담체로 온도 변화에 따른 T-N 제거율을 보여주는 그래프이다.
[도 4]는 본 발명에 따른 고농도 질소함유 하·폐수처리장치의 구성을 간단하게 보여주는 개념도이다.
[도 5]는 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체의 충진 함량에 따른 암모니아성 질소 농도 변화를 보여주는 그래프이다.
[도 6]은 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체의 충진 함량에 따른 질산성 질소 농도 변화를 보여주는 그래프이다.
[도 7]은 활성 슬러지와 질산화 고정화 담체의 질산화 속도를 비교한 그래프이다.
[도 8]은 활성 슬러지와 탈질화 고정화 담체의 질산화 속도를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최고의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 한가지 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형례가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(구성)
본 발명에 따른 고농도 질소함유 하·폐수처리장치는, [도 1] 내지 [도 8]과 같이, 무산소 반응조(100)와 호기조 반응조(200)를 포함한다.
특히, 상기 무산소 반응조(100)와 호기조 반응조(200)에는 각각 미생물 고정화 고분자 담체를 이용하므로, 미생물을 고농도를 고정하여 탈질화와 질산화 효과를 높일 수 있을 뿐만 아니라 슬러지 제거 효과를 높일 수 있게 한 것이다.
이에, 여기서는, 본 발명에서 사용하는 미생물 고정화 고분자 담체를 얻기 위한 제조과정에 관해 먼저 설명하고, 그 다음 무산소 반응조(100)와 호기조(200)에 관해 차례로 후술하기로 한다.
<미생물 고정화 고분자 담체>
본 발명에 따른 고농도 질소함유 하·폐수처리를 위한 미생물 고정화 고분자 담체는 다음과 같이 제조한다.
우선, 증류수에 PVA(Polyvinyl Alcohol)와 PEG(Polyethylene glycol)를 혼합한다. 특히, 상기 PVA와 PEG는 오랫동안 매우 안정적이며 생분해성으로 독성이 없는 재질로 알려졌다. 이때, 상기 PVA와 PEG는 50~70℃, 가장 바람직하게는 60℃의 증류수로 혼합하고, 그 비율은 증류수 100중량비에 대하여 PVA 15~20중량비와 PEG 5~10중량비의 비율로 혼합한다. 이러한 혼합 비율은 총질소(T-N) 제거율을 높이기 위한 것이다.
그 다음, 위와 같이 혼합한 혼합물을 멸균 가열한다. 이는, PVA와 PEG 등에 혼합되었을 수 있는 미생물 등을 없애기 위한 것으로, 혼입된 미생물의 종류에 따라 이를 멸균할 수 있는 온도 범위에서 이루어지게 된다. 이에, 본 발명에서는 고온고압 멸균기를 이용하여 115~120℃ 온도에서 10~15분간 멸균 가열한다.
이어, 멸균한 혼합물을 미리 정한 온도로 냉각한 다음 미생물을 투입한다. 이때, 멸균한 혼합물은 통상적으로 멸균 온도보다 낮은 온도에서 활성화하므로, 고정할 미생물이 고정화에 적절한 온도로 냉각한 다음 고정할 미생물을 투입하여 혼합한다.
미생물은 질산화 세균과 탈질화 세균 중에서 적어도 한 종을 투입하며, 이때 질산화 세균은 Nitrobacter sp. 및 Nitrosomonas europaea. 중에서 적어도 하나를 이용할 수 있고, 탈질화 세균은 Bacillus subtilis., Paracoccus denitrificans., 및 Pseudomonas sp. 중에서 적어도 하나로 이루어진 것을 이용할 수 있다.
이때, Nitrobacter sp.는 R2A 배지를 사용하였으며 배지성분으로는 Yeast Extract 0.5g/L, Casamino Acids 0.5g/L, Proteose Peptone No.3 0.5g/L, Soluble Starch 0.5g/L, Dipotassium Phosphate 0.3g/L, Magnesium sulfate 0.3g/L, Sodium Pyruvate 0.3g/L, Dextrose 0.5 g/L으로 총 3.2 g/L을 넣고 배양했다. Nitrosomonas europaea.는 Medium for Nitrosomonas europaea 배지를 사용하였으며, 배지 성분으로는 (NH4)2SO4 2.5g, KH2PO4 0.5g, HEPES·11.92g, NaHCO3 0.5g, MgSO4 100mg, CaCl25.0mg, Fe-EDTA 75mg, Distilled water 1.0L를 넣고 제조하여 배양했다.
그리고, Bacillus subtilis.는 Nutrient 배지를 사용하였으며 배지 성분으로는 Beef extract 3.0g, Peptone 5.0g, Agar 15.0g, Distilled water 1.0L을 넣어 배양을 하였고, Paracoccus denitrificans.는 Complex medium을 사용하였으며 배지 성분으로는 Peptone 4.0g, Yeast extract 2.0g, K2HPO4 10.0g, Distilled water 900.0ml, 10 %(w/v) Dextrose·100.0ml을 넣어 배양했다. 또한, Pseudomonas sp.는 YM Broth 배지를 사용하였으며, 배지 성분으로는 Yeast extract 3.0g, Malt extract 3.0g, Peptone 5.0g, Dextrose 10.0g, Distilled water 1.0L을 넣어 배양했다.
특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 질산화 세균과 탈질화 세균은 혼합물에 혼합할 때 사멸되지 않고 고정화가 잘 이루어져야 하므로, 적절한 온도, 바람직하게는 35~45℃에서 혼합물에 투입하는 것이 바람직하다.
그 다음, 이처럼 질산화 세균과 탈질화 세균을 혼합한 혼합물로 미생물 고정화 고분자 담체를 만든다. 이때, 미생물 고정화 고분자 담체는 상기 혼합물을 성형 틀에 부어서 형성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 성형 틀은 미생물 고정화 고분자 담체를 만드는 데 적절한 크기로 이루어진 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 깊이 0.5~1.5㎜이고 지름이 5~15㎜인 형태로 제작하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 지름을 10㎜로 하고 깊이를 1㎜로 제작한다.
마지막으로, 미생물 고정화 고분자 담체를 건조한 다음 가교한다. 이때의 건조는 35~45℃ 온도에서 3~4시간 건조한다. 그리고, 건조후 가교에 사용하는 가교제로는 포화 농도(20℃ 기준)의 붕산(Boric acid)과 농도 1~2g/v%인 염화칼슘(Calcium chloride)을 이용하여 1~2시간 동안 가교한다.
이처럼 이루어진 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체에 대한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, PVA와 PEG를 아래의 [표 1]과 같이 증류수 100g당 혼합률로 혼합한 다음 고정화 담체를 제작하였으며, 기공률, 총질소(T-N) 제거율, 그리고 온도 조건에 대해 실험하였다.

구분
실시예 1
실시예 2
실시예 3

PVA(g)
10
15
20

PEG(g)
6
10
10
그 결과, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 결과, 각 실시예에 대한 기공률은, [도 1]과 같이, [실시예 2]>[실시예 1]>[실시예 3]의 순서로 나타난 것을 확인할 수 있다.
또한, 총질소(T-N) 제거율을 보면, [도 2]와 같이, 시간이 지남에 따라 모든 실시예에서 총질소(T-N) 제거율은 떨어지는 현상을 보이나, 특히 [실시예 2]에서 가장 급격하게 떨어지는 것을 알 수 있다. [도 2]에서, 가로축(X)은 실험 시간(Experiment period[hr])를, 세로축(Y)은 총질소 농도(T-N concetration[㎎/L])를, 각 그래프에서 왼쪽 각각 나타낸다.
그리고, PVA와 PEG를 혼합한 혼합물에 미생물을 넣을 때의 온도 조건을 보면, 다음의 [표 2]와 같다. 즉, [실시예 1] 내지 [실시예 3]은 30℃에서는 모든 혼합 용액이 굳는 현상을 보이고, 50℃에서는 혼합 용액이 굳지 않으나 미생물 저해 현상이, 그리고 60℃에서는 혼합 용액이 굳지 않으나 미생물 사멸 현상을 보였으며, 40℃에서는 혼합 용액이 굳지 않고 미생물이 활성 가능한 상태를 보였다.

구분
30℃
40℃
50℃
60℃

실시예 1
혼합 용액 굳음
굳지 않음
미생물 활성 가능
미생물 저해
미생물 사멸

실시예 2
혼합 용액 굳음
굳지 않음
미생물 활성 가능
미생물 저해
미생물 사멸

실시예 3
혼합 용액 굳음
굳지 않음
미생물 활성 가능
미생물 저해
미생물 사멸
이에, 혼합 용액이 굳지 않는 40℃, 50℃, 그리고 60℃에서 미생물을 투입하여 제작한 미생물 고정화 담채로 T-N 제거율을 평가한 결과, 40℃에서 가장 좋은 제거효율을 보였다. [도 3]은 본 발명의 [실시예 2]에 따른 미생물 고정화 고분자 담체를 제작할 때 온도 변화에 따른 T-N 제거율을 보여주는 그래프로, 가로축(X)은 실험 시간(Experiment period[hr])를, 세로축(Y)은 총질소 농도(T-N concetration[㎎/L])를 각각 나타낸다.
<처리장치의 구성>
본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치는, [도 4]와 같이, 무산소 반응조(100)와 호기조(200)를 포함하여 구성한다.
상기 무산소 반응조(100)는, [도 4]와 같이, 유입구(110), 제1 라인(120), 교반기(130), 배수구(140)를 포함한다. 이때, 상기 유입구(110)는 외부에서 하·폐수를 무산소 반응조(100)에 공급하기 위한 입구이다.
상기 제1 라인(120)은, [도 4]와 같이, 무산소 반응조(100) 안에 탄소원을 공급한다. 여기서 탄소원은 하·폐수의 유입 농도에 따라 탄소대 질소 비(C/N비)를 조절하기 위한 것이다. 이처럼 제1 라인(120)을 통해 공급하는 탄소원으로는 에탄올(Ethanol)을 이용하며, 제어기(121)를 통해 무산소 반응조(100) 내의 온도를 검출하여 탄소대 질소 비(C/N비)를 조절할 수 있게 한다. 이때, 제어기(121)는 펌프(122)를 이용하여 에탄올을 무산소 반응조(100) 안으로 공급하게 구성한다.
상기 교반기(130)는, [도 4]와 같이, 무산소 반응조(100) 안에 장착하여 미생물 고정화 담체와 하·폐수를 골고루 혼합하게 하여 질산화 반응이 잘 이루어질 수 있게 교반한다.
상기 배수구(140)는, [도 4]와 같이, 무산소 반응조(100)에서 질산화 반응한 질산화 유입수를 후술할 호기조 반응조(200)로 배출하기 위한 출구를 말한다. 특히, 상기 배수구(140)에는 일종의 필터인 담체 선별기(141)를 장착하여, 질산화 유입수를 호기조 반응조(200)로 배출할 때 무산소 반응조(100)에 충진한 담체가 호기조 반응조(200)로 배출되지 않게 하는 것이 바람직하다.
이처럼 이루어진 무산소 반응조(100)에는, [도 4]와 같이, 본 발명에 따라 제작한 미생물 고정화 담체를 충진하여 하·폐수를 공급받아 질산화 반응이 일어나게 한다. 이때, 상기 미생물 고정화 담체는 질산화 세균이 주를 이루거나 질산화 세균만 고정한 담체를 충진하는 것이 바람직하다.
호기조 반응조(200)는, [도 4]와 같이, 유입구(210), 제2 라인(220), 교반기(230), 배수구(240), 그리고 반송 라인(250)을 포함한다. 상기 유입구(210)는 상술한 배수구(140)에 연결하여 무산소 반응조(100)에서 탈질 반응이 이루어진 탈질화 유입수를 호기조 반응조(200) 안에 유입하게 하기 위한 입구를 말한다.
상기 제2 라인(220)은, [도 4]와 같이, NaOH를 공급하여 호기조 반응조(200) 내의 pH를 조절하기 위한 라인을 말한다. 이때, 제2 라인(220)은 상술한 제어기(121)의 제어를 받는 펌프(221)를 통해 적절한 pH를 유지할 수 있게 NaOH를 공급한다. 이때, pH 조절에 사용하는 NaOH는 농도가 0.4~0.6%(V/V)인 것, 가장 바람직하게는 0.5%(V/V)인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 교반기(230)는, [도 4]와 같이, 호기조 반응조(200) 안에 장착하여 미생물 고정화 담체와 무산소 반응조(100)에서 유입구(210)를 통해 공급받은 질산화 유입수를 골고루 혼합하게 하여 탈질 반응이 잘 이루어질 수 있게 교반한다.
상기 배수구(240)는, [도 4]와 같이, 호기조 반응조(200)에서 탈질 반응을 끝낸 유출수를 호기조 반응조(200) 밖으로 배출하기 위한 출구를 말한다. 특히, 상기 배수구(240)에는 일종의 필터인 담체 선별기(241)를 장착하여, 탈질 반응을 끝낸 유출수를 호기조 반응조(200) 밖으로 배출할 때 이 호기조 반응조(200)에 충진한 담체가 호기조 반응조(200) 밖으로 배출되지 않게 하는 것이 바람직하다.
상기 반송 라인(250)은, [도 4]와 같이, 호기조 반응조(200)와 상술한 무산소 반응조(100)를 연결하여 이 호기조 반응조(200)에서 무산소 반응조(100)로 내부 반송이 이루어지게 하는 라인을 말한다. 이러한 반송 라인(250)에는 일종의 필터인 담체 선별기(251)를 장착하여, 탈질 반응하여 다시 무산소 반응조(100)로 반송할 때 이 호기조 반응조(200)에 충진한 담체가 무산소 반응조 반응조(100)로 배출되지 않게 구성하는 것이 바람직하다.
이처럼 이루어진 호기조 반응조(200)에는, [도 4]와 같이, 본 발명에 따라 제작한 미생물 고정화 담체를 충진하여 무산소 반응조(100)에서 질산화 반응한 질산화 유입수를 공급받아 탈질 반응을 일으키게 한다. 이때, 상기 미생물 고정화 담체는 탈질화 세균이 주를 이루거나 탈질화 세균만 고정한 담체를 충진하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기 호기조 반응조(200)에는, [도 4]와 같이, 내부에 폭기기(260)를 더 장착하는 것이 바람직하다. 폭기기(260)는 호기조 반응조(200) 안에 충분한 산소를 공급하여 미생물의 유기질 분해를 촉진하기 위한 것이다.
이하, 상술한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치로 담체 충진율 시험과 질산·탈질화 속도를 시험한 결과는 다음과 같다.
< 담체 충진율 시험>
담체 충진율 시험은 본 발명에 따라 제작한 미생물 고정화 고분자 담체의 충진률에 따른 질산화율을 [도 5]와 같이 보여주고, 탈질화율을 [도 6]과 같이 보여준다. [도 5]에서, 가로축은 반응시간[Reaction time(hr)]을, 세로축은 암모니아성 질소(NH4-N)의 농도 변화를, ◆은 질산화 세균으로 고정한 미생물 고정화 고분자 담체를 10%로 충진한 실시예(하·폐수: 담체의 부피비가 100:10)를, ▲은 질산화 세균으로 고정한 미생물 고정화 고분자 담체를 15%로 충진한 실시예(하·폐수: 담체의 부피비가 100:15)를, ■은 질산화 세균으로 고정한 미생물 고정화 고분자 담체를 20%로 충진한 실시예(하·폐수: 담체의 부피비가 100:20)를 각각 나타낸다. 그리고, [도 6]에서, 가로축은 반응시간[Reaction time(hr)]을, 세로축은 질산성 질소(NO3-N)의 농도 변화를, ◆은 탈질화 세균으로 고정한 미생물 고정화 고분자 담체를 10%로 충진한 실시예(하·폐수: 담체의 부피비가 100:10)를, ▲은 탈질화 세균으로 고정한 미생물 고정화 고분자 담체를 15%로 충진한 실시예(하·폐수: 담체의 부피비가 100:15)를, ■은 탈질화 세균으로 고정한 미생물 고정화 고분자 담체를 20%로 충진한 실시예(하·폐수: 담체의 부피비가 100:20)를 각각 나타낸다.
[도 5] 및 [도 6]에서 보는 바와 같이, 질산화율과 탈질화율은 미생물 고정화 고분자 담체를 20%로 충진했을 때 제거 효율이 가장 높게 나왔으며, 충진율이 15%인 때와 비교했을 때 약 3% 정도 차이가 나는 것을 알 수 있다.
<질산· 탈질화 속도 시험>
[도 7]은 활성 슬러지와 질산화 고정화 담체의 질산화 속도를 비교한 그래프이고, [도 8]은 활성 슬러지와 탈질화 고정화 담체의 질산화 속도를 비교한 그래프이다. 여기서, 질산화 고정화 담체는 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체 중에서 질산화 세균을 고정한 담체이고, 탈질화 고정화 담체는 본 발명에 따른 미생물 고정화 고분자 담체 중에서 탈질화 세균을 고정한 담체를 말한다.
[도 7]에서, 가로축은 반응시간[Reaction time(hr)]을, 세로축은 암모니아성 질소(NH4-N)의 농도 변화를, ■는 질산화 고정화 담체를, ◇는 활성 슬러지를 각각 나타낸다. 그리고, [도 8]에서, 가로축은 반응시간[Reaction time(hr)]을, 세로축은 질산성 질소(NO3-N)의 농도 변화를, ■는 탈질화 고정화 담체를, ◇는 활성 슬러지를 각각 나타낸다.
그 결과, 질산화 반응에서는 질산화 고정화 담체가 활성 슬러지보다 12% 높은 암모니아성 질소(NH4-N) 제거효율을 보였으며, 탈질화 반응에서는 탈질화 고정화 담체와 활성 슬러지의 제거효율이 비슷하였다. 탈질화 고정화 담체는 5시간 지난 후 제거효율 94%을 보였으며, 활성 슬러지는 7시간이 지난 후 93%의 제거효율을 보였다. 이를 통해 활성 슬러지보다 탈질화 고정화 담체가 고농도의 탈질화 미생물로 인해 질산성 질소(NO3-N)를 빠르게 처리할 것으로 판단된다.
100 : 무산소 반응조
110, 210 : 유입구
120 : 제1 라인
130, 230 : 교반기
140, 240 : 배수구
200 : 호기조 반응조
220 : 제2 라인
250 : 반송 라인
260 : 폭기기

Claims (6)

  1. 고농도 질소를 함유한 하·폐수를 처리하는 장치에서,
    하·폐수를 공급받는 유입구(110), 제어기(121)를 통해 탄소원을 공급받는 제1 라인(120), 내부를 교반하는 교반기(130), 그리고 담체 선별기(141)를 갖춘 배수구(140)를 갖추고, 내부에는 미생물 고정화 고분자 담체를 충진하여 질산화 반응하게 하는 무산소 반응조(100); 및
    상기 배수구(140)와 연결하여 질산화한 유입수를 공급받는 유입구(210), 상기 제어기(121)를 통해 pH를 조절할 수 있도록 NaOH를 공급받는 제2 라인(220), 내부를 교반하는 교반기(230), 담체 선별기(241)를 갖춘 배수구(240), 그리고 담체 선별기(251)를 갖추고 상기 무산소 반응조(100)로 내부 반송할 수 있도록 반송 라인(250)을 갖추고, 내부에는 미생물 고정화 고분자 담체를 충진하여 탈질 반응하게 하는 호기조 반응조(200);를 포함하되,
    상기 미생물 고정화 고분자 담체는,
    50~70℃의 증류수 100중량비에 PVA(Polyvinyl Alcohol) 15~20중량비와 PEG(Polyethylene glycol) 5~10중량비의 비율로 혼합하고;
    혼합한 혼합물을 고온고압 멸균기로 115~120℃ 온도에서 10~15분 동안 멸균과 가열하며;
    멸균 가열한 혼합물을 35~45℃로 냉각한 다음, 질산화 세균과 탈질화 세균 중에서 적어도 한 종의 미생물을 투입하여 혼합하고;
    미생물을 투입하여 혼합한 상기 혼합물을 성형 틀에 넣어 미생물 고정화 고분자 담체를 제작하며; 그리고
    상기 미생물 고정화 고분자 담체를 35~45℃ 온도에서 3~4시간 건조한 다음 포화 농도(20℃ 기준)의 붕산(Boric acid)과 농도 1~2g/v%인 염화칼슘(Calcium chloride)에 1~2시간 넣어 가교한 것;을 특징으로 하는 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치.
  2. 제1 항에서,
    상기 성형 틀은,
    깊이 0.5~1.5㎜이고 지름이 5~15㎜인 것을 특징으로 하는 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치.
  3. 제1 항에서,
    상기 질산화 세균은 Nitrobacter sp. 및 Nitrosomonas europaea. 중에서 적어도 하나를 이용하고,
    상기 탈질화 세균은 Bacillus subtilis., Paracoccus denitrificans., 및 Pseudomonas sp. 중에서 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에서,
    상기 미생물 고정화 고분자 담체는,
    (하·폐수량) :( 미생물 고정화 고분자 담체)의 부피비가 (100): (10~30)인 것을 특징으로 하는 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치.
  5. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에서,
    상기 NaOH는,
    농도가 0.4~0.6%(V/V)인 것을 특징으로 하는 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치.
  6. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에서,
    상기 호기조 반응조(200)에는,
    상기 호기조 반응조(200) 안에서 폭기를 생성할 수 있도록 폭기기(260);를 갖춘 것을 특징으로 하는 미생물 고정화 고분자 담체를 이용한 고농도 질소함유 하·폐수처리장치.
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