WO2016003017A1

WO2016003017A1 - 미세조류를 이용한 하· 폐수 처리 장치

Info

Publication number: WO2016003017A1
Application number: PCT/KR2014/009459
Authority: WO
Inventors: 강동한; 장영호; 문희천; 김미정; 이기종; 오조교; 이정복
Original assignee: 경기도
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-01-07
Also published as: KR101444643B1

Abstract

본 발명은 미세조류를 이용한 하· 폐수 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광합성·질산화조 전단에 생물막 여과조를 구비하여 부유물질의 유입을 차단하고, 탁질을 제거시킴으로써, 종속영양 세균 성장에 의한 빛 투과도 감소를 최소화시키는 동시에, 광합성·질산화조의 미세조류 광합성으로 생성된 산소를 유동 담체에 부착 성장하는 질산화 미생물이 이용하게 함으로써, 미생물간 기질 경쟁을 방지하여 유기물, 질소 및 인 처리 효율을 향상시킬 수 있고, 산소 공급에 따른 기계설비 및 처리기능에 따른 부가설비가 대폭 축소되어 설비 및 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있는 미세조류를 이용한 하· 폐수 처리 장치에 관한 것이다.

Description

미세조류를 이용한 하· 폐수 처리 장치

본 발명은 미세조류를 이용한 하· 폐수 처리 장치에 관한 것이다.

세계적으로 산업화의 발전에 따른 하천오염으로 인하여 하·폐수 처리 방법에 대한 다양한 연구가 제시되어 왔다. 하·폐수의 처리방법은 크게 물리적, 화학적 및 생물학적 처리방법으로 구분되는데, 일반적으로는 하·폐수에 포함된 일정 크기의 부유물을 물리적으로 제거하는 1차 처리 단계와 하·폐수의 유기물을 생물학적으로 제거하는 2차 처리 단계로 진행된다.

일반적으로 생물학적 활성슬러지 방법을 사용하는 2차 처리 단계는 질소와 인을 제거하기 위해 혐기 조건, 무산소 조건 및 호기 조건을 인위적으로 형성하여 혐기조건에서는 인을 제거하는 기작이 진행되고, 무산소 조건에서는 질소를 제거하는 기작이 진행되며, 호기 조건에서는 유기물 제거와 질산화 반응이 일어난다. 특히, 호기 조건을 유지하기 위해서는 인위적으로 공기를 주입하여야 하며 하·폐수처리장 운전비용에서 가장 큰 부분을 차지하고 있다.

질소와 인이 제거된 하·폐수는 중력침전, 가압부상 또는 분리막 등의 방법으로 미생물과 물을 분리하고, UV, 염소, 오존 등의 소독과정을 거친 후에 물은 시스템 밖으로 배출되고 슬러지의 일부는 반송라인을 통해 혐기조 또는 무산소조로 반송되며 나머지는 농축, 탈수 등의 공정을 거쳐 폐기되거나 재활용된다.

호기 조건에서는 질산화 미생물에 의해 하·폐수 내 유기 질소 및 암모니아계 질소가 산화되어 아질산성 질소나 질산성 질소로 전환된다. 이렇게 질산화된 하·폐수는 다시 무산소 조건이 형성된 무산소조로 반송되어 탈질소 미생물에 의해 질소 가스로 환원되어 대기중으로 배출되어 하폐수에서 제거된다.

이러한 박테리아가 혐기 조건에서 호기 조건으로 유입되면, 체내에서 필요한 적정량의 인보다 많은 과량의 인을 섭취함으로써 하·폐수 내에 인이 미생물 생체내로 이동하게 되며 미생물을 폐기함으로써, 인을 하·폐수에서 제거하게 된다.

이러한 생물학적 질소, 인 처리방법은 공기 주입을 위한 에너지 비용이 많이 소요되고, C/N(COD/Nitrogen)비율, C/P(COD/Phosphorus)비율이 낮은 경우에는 질소, 인 제거효율이 급격히 저하하는 문제점이 발생되어 왔다. 또한 잉여슬러지의 발생량이 많고, 잉여슬러지 처리를 위한 별도의 설비와 비용이 추가되는 문제점이 있다.

이에, 한국등록특허 제100460214호는 질소제거를 위해 박테리아를 기반으로하는 미생물 대신 미세조류(광합성 미생물)를 사용하였으나, 미세조류 단독 종만으로는 질소 가스로 대기중에 배출함으로써, 질소를 제거하는 박테리아의 기작을 기대할 수 없어 고효율의 질소 제거율을 기대할 수 없으며, 고농도의 유기물질이 함유된 하·폐수에서 종속영양 박테리아와의 경쟁관계에 의해 미세조류의 성장이 담보될 수 없다는 문제점이 있었다.

또한, 자연광 또는 인공광을 이용한 조류 배양의 경우에는 미세조류·박테리아 공배양 미생물의 농도가 증가할수록 빛 투과율이 감소하는 현상에 의해 광합성 반응이 진행되는 미세조류 배양조의 수심을 50cm 이하로 설치하고 있어 이러한 한계성으로 인해 미세조류 배양조 설치시 매우 넓은 부지가 필요한 문제점이 있었다.

본 발명의 주된 목적은 미생물간 기질 경쟁을 방지하여 유기물, 질소 및 인 처리 효율을 향상시킬 수 있으며, 산소 공급에 따른 기계설비 및 처리기능에 따른 부가설비가 대폭 축소되어 설비 및 유지비용을 절감할 수 있는 하·폐수 처리장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 또한, 산소를 생산하는 광합성부를 빛이 조사되는 표층에 설치하고, 그 직하부에 유동 담체가 충진된 질산화부를 배치하여 좁은 부지에서 미세조류와 질산화 박테리아를 배양하여 질산화 반응에 필요한 에너지 절감과 사료로서의 활용가치가 높은 질산화 박테리아 및 미세조류의 혼합 미생물 군집을 생산하는데 유용한 하·폐수 처리장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 입수가 하부로 유입되어 상향류로 흐르면서 하·폐수의 고형물과 유기물이 제거되고, 탈질이 수행되는 생물막 여과조; 상기 생물막 여과조에서 유기물 및 고형물이 제거된 처리수가 하향류로 흐르면서 처리수의 질산화 및 유기물 산화가 수행되도록 미세조류가 배양되고, 유동 담체가 내부에 충진된 광합성·질산화조; 및 상기 광합성·질산화조에서 처리된 처리수의 슬러지와 상징수를 분리하여 상징수 일부를 상기 생물막 여과조로 반송시키고, 나머지 상징수를 최종 처리수로 배출시키는 침전조를 포함하며, 상기 광합성·질산화조는 관통부가 형성된 격벽을 기준으로 상하부로 구획되어 상부에는 미세조류를 배양시키는 광합성부가 구비되고, 하부에는 유동 담체를 충진시킨 질산화부가 구비되며, 상기 광합성부로 침전조의 슬러지가 반송되는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 광합성부의 평균 혼합액 현탁고형물(MLSS)은 500mg/L 이하가 되도록 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 침전조의 상징수는 유입 하폐수량에 대하여 50 ~ 200%를 생물막 여과조로 반송시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 광합성부는 용존산소 농도가 5mg/L 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 광합성부는 수심이 50cm 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 질산화부의 유동 담체 충진율은 질산화부 유효용량에 대하여 20 ~ 50vol%인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 광합성·질산화조의 관통부는 질산화부의 유동 담체가 광합성부로 유입되지 않도록 담체 차단 스크린이 설치되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 광합성부는 상부 및 하부에 인공 광원이 더 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 광합성부는 하부에 도광판이 설치되어 인공 광원의 빛이 도광판을 따라 광합성부에 분산시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 도광판은 상부에 부착조류의 탈리를 위한 조류 탈리수단을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 조류 탈리수단은 제어부의 제어를 받아 구동에 필요한 동력을 발생시키는 실린더; 상기 실린더의 구동에 부응하여 구동되는 롤러가 양단부에 각각 결합되어 도광판의 상면을 좌우로 왕복 이동하면서 도광판 상면에 부착된 미세조류를 탈리시키는 와이퍼; 및 상기 와이퍼 롤러와 체결되어 와이퍼가 슬라이드 이동되도록 하는 한 쌍의 가이드 레일을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 생물막 여과조는 잔존 유기물의 산화를 위해 상부에 산기관을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 하·폐수 처리장치는 광합성·질산화조 전단에 생물막 여과조를 설치하여 부유물질의 유입을 차단하고, 탁질을 제거시킴으로써, 종속영양 세균 성장에 의한 빛 투과도 감소를 최소화시키는 동시에, 광합성·질산화조의 미세조류 광합성으로 생성된 산소를 유동 담체에 부착 성장하는 질산화 미생물이 이용하게 함으로써, 미생물간 기질 경쟁을 방지하여 유기물, 질소 및 인 처리 효율을 향상시킬 수 있으며, 산소 공급에 따른 기계설비 및 처리기능에 따른 부가설비가 대폭 축소되어 설비 및 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 하·폐수 처리장치의 계략도이다.

도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 하·폐수 처리장치의 계략도이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 하·폐수 처리장치의 계략도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 하·폐수 처리장치의 계략도이다.

도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 인공 광원과 도광판 배치도이다.

도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 인공 광원 및 도광판 배치도이다.

도 7은 본 발명에 따른 담체 차단 스크린의 평면도(a) 및 측면도(b)이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 유입수가 하부로 유입되어 상향류로 흐르면서 하·폐수의 고형물과 유기물이 제거되고, 탈질이 수행되는 생물막 여과조; 상기 생물막 여과조에서 유기물 및 고형물이 제거된 처리수가 하향류로 흐르면서 처리수의 질산화 및 유기물 산화가 수행되도록 미세조류가 배양되고, 유동 담체가 내부에 충진된 광합성·질산화조; 및 상기 광합성·질산화조에서 처리된 처리수의 슬러지와 상징수를 분리하여 상징수 일부를 상기 생물막 여과조로 반송시키고, 나머지 상징수를 최종 처리수로 배출시키는 침전조를 포함하며, 상기 광합성·질산화조는 관통부가 형성된 격벽을 기준으로 상하부로 구획되어 상부에는 미세조류를 배양시키는 광합성부가 구비되고, 하부에는 유동 담체를 충진시킨 질산화부가 구비되며, 상기 광합성부로 침전조의 슬러지가 반송되는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 질산화 반응에 대한 저해 인자는 과도하게 높거나 낮은 pH, 낮은 수온, 낮은 용존산소, 독성 물질 등이 있으며, 강한 빛에 의해서도 질산화 반응이 저해된다. 최근 연구에 의하면 토양과 하수처리장, 해양 등 자연환경에서 진행되는 질산화 반응은 AOB(Ammonia Oxidizing Bacteria), NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria)에 의한 것보다 AOA(Ammonia Oxidizing Bacteria)에 의해 진행되는 것이 월등히 많은 것으로 밝혀지고 있다(Hatzenpichler, R. 2012; Qin, H. L. etc, 2013). 이러한 AOA(Ammonia Oxidizing Bacteria)는 강한 빛에 노출되었을 때 질산화 기작이 강하게 저해되며, 빛이 사라졌을 때에도 질산화 반응을 회복하지 못하는 것으로 알려져 있어(Merbt, S.N., etc, 2012), 질산화 미생물의 빛에 대한 질산화 반응 영양을 배제하기 위해서는 질산화 미생물을 빛에 노출시키는 것을 최소화하는 것이 질산화 반응에 유용하다.

한편, 일반적으로 호기성 종속영양 세균의 생산계수가 0.5^-1 ~ 0.6^-1인 것에 비해 미세조류는 0.2^-1 ~ 0.3^-1이고, 질산화 박테리아는 미세조류보다 낮은 0.1^-1 ~ 0.15^-1수준으로, 하·폐수 원수를 기질로 종속영양 세균, 미세조류 및 질산화 박테리아가 공배양하게 되면 종속영양 세균, 미세조류 및 질산화 박테리아 순서로 미생물 생체량 점유율이 나타난다. 이러한 성장 특성으로 인해 하·폐수 내에 BOD로 대표되는 유기물질이 풍부할 경우, 호기성 종속영양 세균의 빠른 성장으로 인해 햇빛의 투과도가 급격히 줄어들게 되어 미세조류는 성장할 수 없게 된다.

반면, 하·폐수내에 유기물이 부족한 상태에서는 종속영양 세균의 성장이 불가능하므로 미세조류가 질산화 박테리아에 비해 빠른 속도로 성장하면서 미세조류가 우점 미생물이 되고, 이와 같이 미세조류가 우점 미생물이 될 경우에는 질산화 미생물이 질산화 반응을 수행하기 전에 암모니아를 미세조류가 대부분 섭취함으로써, 질산화 미생물의 생장이 저해되어 질산화 반응이 진행되기 어려워진다.

또한, 이러한 현상을 방지하기 위해서는 질산화 미생물이 배양되도록 미생물 체류시간(SRT)을 증가시킬 경우에는 미세조류의 과도한 성장에 의해 빛 투과도 감소 현상이 진행되어 광합성 반응이 중단되게 되는 현상이 나타난다.

이와 같은 미생물의 생장 특성으로 인해 호기성 종속영양 세균, 미세조류 및 질산화 박테리아를 동일한 반응조에서 배양하는 것은 미생물의 생장 특성을 감안하지 않은 것으로서 환경공학적 측면에서 바람직하지 않다.

이에, 본 발명에서는 하·폐수를 미세조류가 포함된 광합성부와 광합성부에서 생산된 산소를 이용하는 질산화부를 설치하고, 이들 전단에 고정 생물막 공법이 적용된 생물막 여과조를 설치하여 부유물질의 유입을 차단하는 동시에 탁질을 제거시킴으로써, 광합성·질산화조에서의 종속영양 세균 성장을 억제시켜 과도한 미생물 생체량에 의한 빛 투과도 감소를 최소화하고, 상기 미세조류의 광합성으로 생성된 산소를 유동 담체에 부착성장하는 질산화 미생물이 이용하게 함으로써 미생물간 기질 경쟁을 방지할 수 있어 유기물, 질소 및 인 처리 효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 하·폐수 처리 장치는 생물막 여과조(10), 광합성·질산화조(30) 및 침전조(40)를 포함한다.

상기 생물막 여과조(10)는 내부에 미생물이 부착된 고정 생물막을 구비하고, 용존 산소가 0.1 ~ 0.5ppm인 무산소 상태를 유지시키므로, 하·폐수 원수가 상향류로 생물막 여과조로 유입되면, 생물막에 의해 고형물과 유기물이 제거되는 동시에, 생물막에 부착된 미생물에 의해 탈질 반응이 수행된다.

또한, 상기 생물막 여과조(10)는 침전조(40)에서 방류되는 방류수(상징수)가 생물막 여과조의 총 유입수의 50 ~ 200%로 반송됨에 따라 방류수에 함유된 NOx-N(아질산성 질소 및 질산성 질소)은 하·폐수 내의 유기물을 이용하여 탈질 반응이 수행된다.

이때, 반송되는 침전조의 방류수량이 총 상징수에 대하여 50vol% 미만인 경우, 탈질 반응으로 소모되는 유입 하수내의 생물 화학적 산소요구량(BOD)이 적어 생물막 여과조 처리수에 생물 화학적 산소요구량(BOD) 농도가 높아질 수 있는 문제가 발생될 수 있고, 200%를 초과하는 경우에는 후술되는 침전조의 월류 부하가 높아져 미생물이 유실되는 문제가 발생될 수 있다.

상기 생물막은 미생물이 부착할 수 있는 담체와 담체에 부착하여 성장하는 미생물로 구성되는 것으로, 담체 자체에 의해 물리적으로 처리되는 동시에 담체 표면에 막처럼 부착되어 있는 미생물에 의해 생물학적으로 처리된다. 상기 담체 표면에 부착된 미생물로는 제한되지 않으나, 바람직하기로는 마이크로코쿠스(Micrococcus), 슈도모나스(Pseudomonas), 아코모박터(Archomobacter), 바실러스(Bacillus), 파라콕쿠스(Paracoccus), 아세토박테리움(Acetobacterium) 등과 같은 고농도의 혐기성 미생물을 사용할 수 있다.

이러한 상기 혐기성 미생물은 난분해성 물질과 장기간 접촉하여 집중적 처리가 가능하다. 이에 따라, 난분해성 물질에 대한 혐기성 미생물의 분해력이 증진되고, 결과적으로 난분해성 물질이 신속하게 분해된다. 특히, 혐기성 미생물은 부유성보다 고착성이 우수하므로 담체를 이용하는 경우에는 보다 효율적으로 혐기성 미생물을 고농도로 유지할 수 있다.

또한, 부수적으로 혐기성 미생물의 생장으로 인한 탈질 작용이 유도되어 질산성 질소의 제거가 가능하며, 난분해성 유기물의 소화과정에서 유기산이 생성되어 유기원으로 활용될 수 있어 별도의 영양원 투입을 줄일 수 있는 장점이 있다.

상기 생물막의 담체는 고정상으로, 재질은 본 발명에서 한정하지 않으며, 당업계에서 공지된 바의 것을 사용한다. 대표적으로, 폴리염화비닐, 폴리에텔렌, 폴리에테르술폰, 폴리플루오르화물비닐라덴, 폴리테트라플루오르에틸렌, 세라믹 등이 가능하다.

이와 같이 처리된 생물막 여과조(10) 처리수의 SS 및 BOD는 각각 15mg/L 이하 및 40mg/L 이하로 유지됨으로써, NH₄-N와 PO₄-P 농도가 높고, BOD와 탁도가 낮기 때문에 광합성·질산화조(30)에 직접 주입함으로써, 후술되는 광합성·질산화조(30)의 미세조류 광합성을 촉진시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 생물막 여과조(10)에 유입되는 하·폐수 중에 C/N비가 높아 탈질 반응 후에도 유기물 성분이 다량으로 존재할 경우, 도 2에 나타난 바와 같이 상기 생물막 여과조의 생물막 상부에 산기관(15)을 설치하여 잔존 유기물을 산화분해시킬 수 있다.

상기 광합성·질산화조(30)는 상기 생물막 여과조(10)에서 처리된 처리수가 하향류로 유입되고, 상기 처리수의 질산화 및 유기물 산화가 수행되도록 내부에 미세조류와 질산화 박테리아가 부착된 유동 담체(36)를 충진한다.

이때, 본 발명에 따른 광합성·질산화조(30)는 미세조류와 유동 담체에 부착된 질산화 박테리아의 생장 특성을 감안하여 관통부가 형성된 격벽(31)을 기준으로 상하부로 구획하고, 구획된 상기 광합성·질산화조의 상부에는 미세조류가 배양되는 광합성부(20)를 구비하며, 상기 광합성·질산화조의 하부에는 유동 담체(36)가 충진된 질산화부(35)를 구비한다.

이에, 본 발명에서는 미세조류와 질산화 박테리아의 생태적 특성을 감안하여 광합성·질산화조(30)의 표층에 미세조류를 배양하고, 빛이 도달하지 않는 광합성·질산화조(30)의 수직 하부에는 질산화부(35)를 배치하여 질산화 박테리아를 서식하게 함으로써, 미세조류의 광합성 반응 촉진과 질산화 반응 속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 미세조류는 광합성 반응 과정에서 질소, 인을 섭취하여 생장하고, 광합성 반응으로 다량의 산소를 생성하므로, 일반적으로 미세조류가 질소 및 인을 처리하는 속도는 미세조류의 성장속도에 비례하게 되는데, 성장속도를 높여서 질소 및 인의 처리효율을 높이기 위해서는 반응기 내 미세조류의 농도를 고농도로 유지할 필요가 있다.

이에 본 발명에서는 생물막 여과조(10) 후단에 광합성·질산화조(30)를 설치하여 생물막 여과조 후단에서 처리된, NH₄-N와 PO₄-P 농도가 높고, BOD와 탁도가 낮은 처리수를 유입함으로써, 미세조류의 성장속도를 높여 미세조류의 농도를 고농도로 유지시킬 수 있다.

구체적으로 생물막 여과조(10)에서 NH₄-N와 PO₄-P 농도가 높고, BOD와 탁도가 낮은 처리수가 광합성·질산화조(30)로 유입되면, 처리수 중의 질소 및 인 성분을 영양염류로 이용하고, 인공 광원 또는 자연 광에서 얻어지는 광 에너지와 공기 중의 이산화탄소를 각각 에너지원과 무기 탄소원으로 이용하여 미세조류의 배양이 이루어지며 미세조류의 양이 늘어나게 된다.

이때, 상기 광합성부(20)의 혼합액 현탁고형물(MLSS) 농도는 바이오매스 세이딩(shading)에 의한 광합성 방해 현상을 최소화하기 위해 500mg/L 이하로 유지하고, 보다 바람직하게는 200 ~ 300mg/L로 유지하는 것이 최적의 광합성율 달성을 용이하게 하며, 이로 인한 산소 생산 측면에서 바람직하다.

또한, 상기 광합성부(20)는 수심이 50cm 이하로 유지시켜 미세조류의 광합성 반응이 활발하게 이루어지도록 한다. 만일 광합성부(20)의 수심이 50cm를 초과할 경우에는 미세조류·박테리아 공배양 미생물에 의한 빛 차단 현상으로 광합성 반응이 저해되는 문제점이 발생될 수 있다.

상기 광합성부(20)는 다양한 미생물 군집이 혼재되어 있어 우점되는 특정 미생물이 존재하기 어렵고, 유입 수질 변동, 수온 등의 운전 환경, 반송량의 증감 등 운전 인자에 따라 미생물 군집의 변화가 상존하나, 공통적으로 유지되는 미세조류로는, 안키스트로데스무스 그라실리스(Ankistrodesmus gracilis SAG278-2: KCTC AG20745), 세네데스무스 아쿠이나투스(Scenedesmus accuminatus: KCTC AG 10316), 세네데스무스 쿠아드리카우다(Scenedesmus quadicauda: KCTC AG 10308), 아르쓰로스퍼라 플라텐시스(Arthrospira platensis: KCTC AG20590) 및 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris: KCTC AG10032)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 광합성부는 하·폐수의 질산화 및 유기물 산화를 위해 용존산소 농도를 5mg/L 이상으로 유지시킬 수 있다.

상기 광합성부(20)는 미세조류 배양에 필요한 장치들, 예를 들어, 미세조류 및 배양액 투입구, 이산화탄소 투입구, 온도 조절기, 교반기, 산기관 등을 구비할 수 있다.

상기 광합성부(20)의 인공 광원(21)은 자연광이 충분하지 않을 경우, 도 3 및 4에 나타난 바와 같이 광합성부의 반응조 상단 또는 하단에 설치할 수 있고, 특히 광합성부(20) 하단에 인공 광원이 설치될 경우에는 격벽(31) 상부에 도광판(22)을 설치하여 인공 광원에서 조사된 빛이 도광판을 따라 광합성부 전체에 고르게 분산시킬 수 있도록 한다.

이때, 인공 광원(21)은 도 5에 나타난 바와 같이, 광합성부 한쪽 측면에 배치하여 조사된 빛이 도광판(22)을 따라 광합성부에 균일하게 분산시키거나, 또는 도 6에 나타난 바와 같이, 도광판(22) 하부에 나란히 배치하여 광합성부에 균일하게 분산시킬 수 있다. 이때, 도광판은 아크릴, 강화 유리, 투명 플라스틱 등의 재질로 제작할 수 있으며, 내수성이 좋은 도광판이면 제한 없이 사용가능하다.

또한, 상기 광합성부 및 질산화부에는 인공 광원(21)에서 발생된 열의 전달을 차단하기 위해 방열판(37)을 설치할 수 있고, 특히 동절기 등 수온이 낮아 질산화가 저해되는 경우 방열판의 조절로 수온 상승 및 질산화 효율을 증가시킬 수 있다.

상기 도광판(22)은 미세조류의 표면 부착을 방지하기 위해 표면에 초발수 코팅재나 방오재 등을 도포할 수 있고, 또는 부착된 미세조류의 탈리를 위해 조류 탈리수단(23)을 도광판 상부에 장착할 수 있다.

상기 조류 탈리수단(23)은 도 7에 나타난 바와 같이, 제어부의 제어를 받아 구동에 필요한 동력을 발생시키는 실린더(미도시); 상기 실린더의 구동에 부응하여 구동되는 롤러(24)가 양단부에 각각 결합되고 도광판의 상면을 좌우로 왕복 이동하면서 도광판 상면에 부착된 미세조류를 탈리시키는 와이퍼(26)가 구비된 와이퍼바(25); 및 상기 롤러(24)와 체결되어 와이퍼바(25)가 슬라이드 이동되도록 하는 한 쌍의 가이드 레일(27)이 포함된다.

이에, 상기 조류 탈리수단(23)은 롤러가 장착된 와이퍼바가 가이드 레일 위를 왕복 이동하면서 도광판 상면에 부착된 미세조류를 탈리시켜 광원 빛의 분산을 원활하게 할 수 있다. 이때 상기 와이퍼바의 운전은 10회/hr의 주기로 왕복하여 부착 미생물을 제거할 수 있으며, 와이퍼(26)의 재질로는 테프론, 실리콘 등일 수 있으나, 미세조류나 스컴 제거에 사용될 수 있는 재질이면 제한 없이 사용 가능하다.

상기 광합성·질산화조의 질산화부(35)는 광합성·질산화조에서 격벽(31)으로 구획된 하부에 배치되고, 질산화 반응을 위해 유동 담체(36)가 충진된다.

상기 유동 담체(36)는 질산화 박테리아의 부착 성장을 유도하는 유동상 생물막 역할을 하는 것으로, 일반적으로 미세조류는 질산화 박테리아 비해 성장속도가 빠르기 때문에 질산화 미생물의 느린 성장속도로 인해 충분한 질산화 박테리아를 확보할 수 없게 된다. 따라서, 질산화 박테리아가 부착할 수 있는 유동성 담체를 충진하여 질산화 박테리아의 성장률을 극대화하여 질산화부(35)에서 질산화 반응을 수행하게 된다.

상기 유동 담체(36)의 재질은 유동에 알맞은 부력을 확보하기 위해 비중(25℃)이 0.7 ~ 0.9이고, 재질은 폴리염화비닐, 폴리에텔렌, 폴리에테르술폰, 폴리플루오르화물비닐라덴, 폴리테트라플루오르에틸렌, 세라믹 등이 사용가능하며, 질산화 박테리아가 부착할 수 있는 표면적을 증가시키기 위해 유동 담체의 최대 직경은 1.5cm를 넘지 않도록 한다.

상기 질산화부(35)의 유동 담체(36) 충진율은 질산화부 유효 용량에 대하여 20 ~ 50vol%로, 상기 기재된 유동 담체의 충진율 범위를 벗어난 경우에는 그 효과가 미미하거나, 또는 유동 담체 자체의 빛 차단에 의한 광합성율 저하가 발생될 수 있다.

또한, 상기 질산화부(35)와 광합성부(20)를 구획하는 격벽(31)의 관통부에는 유동 담체보다 작은 크기의 관통홀(미도시)이 형성된 담체 차단 스크린(32)이 설치되어 질산화부(35)의 유동 담체가 광합성부(20)와 침전조(40)로 유입되는 것을 차단시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 침전조(40)는 상기 광합성·질산화조의 질산화부(35)에서 처리된 처리수의 슬러지와 상징수를 분리하여 상징수(방류수) 일부를 상기 생물막 여과조(10)로 반송시키고, 나머지 상징수를 최종 처리수로 배출시킨다. 이때, 상기 및 하기의 반송은 통상의 방법과 장치를 이용하여 수행할 수 있다.

또한, 침전조(40)에서 분리된 슬러지 일부는 발생된 총 슬러지에 대하여 5 ~ 20vol%를 광합성부(20)로 반송시킨다. 만일, 반송된 슬러지량이 발생된 총 슬러지에 대하여 5% 미만일 경우, 미세조류의 광합성 작용에 의해 발생되는 산소량이 질산화 반응에 필요한 것보다 작아 질산화 반응이 불충분해지는 문제점이 발생되고, 반송량이 20vol%를 초과하는 경우에는 미생물 군집 농도 상승에 의한 세이딩(shading) 현상에 의해 광합성율이 낮아지는 문제점이 발생될 수 있다.

본 발명에서는 광합성·질산화조에서 질산화박테리아와 미세조류 사이 강한 bio-flocculation 작용이 발생되어 양호한 침강성을 나타내므로, 미세조류 수확이 용이하고, 생물막 여과조(10)에서 대부분의 유해물질이 흡착 분해되므로 후속 단계인 광합성·질산화조 및 침전조에서 생성된 미세조류와 질산화 미생물은 비료, 사료 등 고부가가치 분야에 활용할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되지 않음은 명백하다.

<실시예 1>

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 하·폐수 처리 장치를 제작하여, 경기도 용인시 소재 영덕레스피아의 하·폐수를 처리하였다. 상기 하·폐수 처리장치의 유효 용량은 총 21.5L(생물막 여과조: 1.5L, 광합성부: 8.0L, 질산화부: 10.0L 및 침전조 : 2.0L)이다.

상기 생물막 여과조의 생물막은 Micrococcus, Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus 등의 혐기성 미생물이 함유된 무산소 슬러지를 폴리에틸렌 소재의 직경 4mm 담체를 채운 혐기성 반응기에 접종한 다음, 하·폐수 방류수와 하·폐수 원수를 혼합하여 주입하는 방법으로 1개월 동안 배양하여 제조한 다음, 각각 하단부과 상단부에 스트레이너를 설치하여 담체의 유실을 방지하였고, 유효 용적을 1.5L로 고정설치하였다.

한편, 광합성부는 안키스트로데스무스 그라실리스, 세네데스무스 아쿠이나투스, 세네데스무스 쿠아드리카우다 등을 대상으로 광도 5,000Lx, 온도 25±2.3℃로 수행하였으며, 배양액은 경기도 용인시 소재 영덕레스피아(하수처리장)의 유입구에서 채수하여 40L/D 속도로 연속 주입하였다. 광합성부는 유효용량 8L 직경 20cm, 높이 50cm, 두께 5㎜의 아크릴 반응기에서 제조하였으며, 빛은 Red : White : Blue의 비율이 2 : 1: 1로 조합된 LED를 24시간 조사하였다. 하·폐수 처리장치의 표면 조도는 5,000Lx로 하였다.

또한, 질산화부의 유동 담체는 Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter, Nitrococcus 등의 미생물이 함유된 호기성 슬러지를 식종하여 담체에 호기성 미생물을 부착시켰다. 유동 담체의 담체는 직경 1.5cm, 높이 0.7cm의 폴리에틸렌 소재로 제작하였으며, 비중은 0.7로 하여 유체 흐름에 따라 활발하게 유동되게 하였다. 이때, 유동 담체는 유효용량 10L, 직경 28cm, 높이 30cm, 두께 5㎜의 아크릴 반응기에서 제조하였으며, 교반기를 이용하여 100rpm으로 담체를 유동하였다. 담체 중진율은 20vol%이고, 하·폐수 처리 장치의 운전 조건들은 하기 표 1에 기재하였다.

<실시예 2>

도 2 에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제작된 하·폐수 처리 장치의 생물막 상부에 산기관을 설치하여 하·폐수를 처리하였다. 이때, 하·폐수 처리 장치의 운전 조건들은 하기 표 1에 기재하였다.

<실시예 3>

도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제작된 하·폐수 처리 장치에 도광판, 인공 광원 및 조류 탈리수단을 설치하여 하·폐수에 함유된 유기물, 질소 및 인을 제거하였다. 이때, 하·폐수 처리 장치의 운전 조건들은 하기 표 1에 기재하였다.

<실시예 4>

도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 3에서 제작된 하·폐수 처리 장치에 도광판, 인공 광원 및 조류 탈리수단을 설치하여 하·폐수에 함유된 유기물, 질소 및 인을 제거하였다. 이때, 하·폐수 처리 장치의 운전 조건들은 하기 표 1에 기재하였다.

표 1

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
HRT(hr)	8.6	8.6	8.6	8.6
SRT(d)	4	4	4	4
수온(℃)	27.5	27.8	28.6	28.8
하·폐수 유입량(L/d)	60	60	60	60
방류수의 반송량(L/d)	60	60	60	60
생물막 여과조의 처리수의 BOD(mg/L)	9.8	4.2	11.5	3.8
미세조류 배양의 용존산소(mg/L)	9.54	11.52	7.86	8.67
광합성부의 수심(cm)	20	20	20	20
광합성부의 MLSS(mg/L)	253	223.5	275.2	245.4
질산화부의 유동 담체 충진율(vol%)	20	20	20	20
질산화부 수심(cm)	20	20	20	20
질산화부의 용존산소(mg/L)	0.83	1.42	0.65	1.27

하기 표 2는 상기 실시예 1 내지 4에서 처리된 처리수의 BOD, SS, T-N 및 T-P를 측정하여 나타내었다. 이때, BOD, SS, T-N 및 T-P의 측정방법은 수질오염공정시험방법(2012, 환경부)에 준하여 측정하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2

구분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
BOD	유입수(mg/L)	285.3	285.3	294.2	294.2
	처리수(mg/L)	5.1	3.2	5.6	3.4
	제거율(%)	98.2	98.8	98.1	98.8
SS	유입수(mg/L)	176.2	176.2	184.9	184.9
	처리수(mg/L)	8.1	8.8	9.9	10.5
	제거율(%)	95.4	95.0	94.6	94.3
T-N	유입수(mg/L)	52.5	52.5	48.6	48.6
	처리수(mg/L)	14.2	10.5	15.1	11.2
	제거율(%)	72.9	80.0	68.9	76.9
TKN	유입수(mg/L)	50.3	50.3	46.5	46.5
	처리수(mg/L)	2.5	0.8	1.5	0.9
	제거율(%)	95.0	98.4	96.8	98.1
T-P	유입수(mg/L)	6.4	6.4	6.2	6.2
	처리수(mg/L)	3.1	3.2	2.8	2.9
	제거율(%)	51.5	50.0	54.8	53.2

그 결과, 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 BOD 제거율은 98.1 ~ 98.8%인 것으로 나타나, 일반 활성 슬러지 공법을 적용한 장치의 동등 이상 효율을 보였으며, SS 제거율 또한, 94.3 ~ 95.4%로 매우 높음을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1 내지 4의 하·폐수 처리장치에서는 미세조류·박테리아 미생물 군집의 생물-응집(bio-flocculation)에 의해 매우 양호한 침강성이 나타남을 확인할 수 있었다.

반면, T-N 제거율은 생물막 여과조 상단부에서 폭기를 실시한 실시예 1 및 3에서 각각 80.0% 및 76.9%로 폭기를 실시하지 않은 경우의 동일 하수에 비해 각각 7.1% 및 8.0% 높았다. 생물막 여과조의 처리수에 BOD 성분을 최대한 낮게 유지하는 것이 미세조류를 이용한 산소 공급면, 질산화율 향상 측면에서 유리함을 알 수 있다. 환원형태의 질소(TKN)는 실시예 1 내지 4의 제거율이 95.0% ~ 98.4%로 모두 높게 나타나, 미세조류의 광합성 반응으로 생산된 산소만으로 질산화 반응이 효율적으로 진행되었음을 확인할 수 있었다.

한편, T-P 제거율은 실시예 1 내지 4에서 유의적 차이를 나타내지 않았다. 미세조류의 생체합성 반응에 의해 인이 제거됨으로 bio-P 박테리아의 인 과잉 섭취 기작이 진행되지 않았기 때문이다.

본 발명의 중요 효과는 광합성부와 질산화부를 분리하여 좁은 면적에서 상층부의 광합성 반응과 하층부의 질산화반응을 달성하는 것이다. 실시예 1 내지 4를 운전한 결과, 광합성부와 동일한 수심의 질산화부를 설치하고 SRT를 표준활성슬러지 공정보다 짧은 4일로 운전하였을 때, 광합성부에서 고농도의 산소 농도를 유지하고, 질산화부에서 질산화 반응에 의해 낮은 DO 농도를 유지함을 확인하였다. 뿐만 아니라, 질산화부에서의 질산화 반응에 의해 유입수내 환원성 질소인 TKN이 95% 이상 질산화됨으로써, 좁은 부지에서 상하층을 분리한 광합성·질산화 반응 공정이 매우 유효함을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따른 미세조류를 이용한 하·폐수 처리장치는 유기물 산화, 질산화 및 탈질반응에 의한 BOD 제거 반응이 원활히 이루어져 높은 폐수 처리 효율을 가질 뿐만 아니라, 광합성·질산화조 전단에 생물막 여과조가 위치하여 서로 상호보완적인 관계를 유지함에 따라 유기물, 질소 제거효율을 극대화한 것을 확인할 수 있었다. 또한 상층부에서 빛을 이용한 광합성부를 배치하고, 그 직하부에 유동 담체를 충진한 질산화부를 배치함으로써 하수처리에 필요한 부지를 집약적으로 이용할 수 있음을 확인할 수 있었다.

<실험예 1>

미세조류 혼합액 현탁고형물(MLSS) 농도에 따른 광합성 산소 생성량을 확인하기 위해 300ml 유리 재질의 반응기에 블루(Blue) LED 램프와 레드(Red) LED 램프를 50㎛/m²/s 광량으로 60 분간 조사하여 미세조류의 광합성 반응에 의해 생성된 용존 산소량을 측정하였다. 이때, 상기 미세조류는 경기도 소재 하수처리장(영덕레스피아)에서 인공 광원을 조사하여 하수를 처리하고 있는 12L 유효 용량의 광배양 반응기에서 채취하였고, 배양액은 경기도 용인시 소재 하수처리장(영덕레스피아) 방류수 40L에 NH₄-N 50mg/L, PO₄-P 10mg/L, 알카리도 200mg/L(as CaCO₃)를 첨가하여 제조하였다. 반응기 온도는 25℃±0.5℃이고, 3회 반복 실험을 실시하였으며, 이에 대한 평균값을 하기 표 3에 나타내었다.

표 3

MLSS(mg/L)		100	200	300	400	500	600	700	800	1,500
Red LED	DO(mg/L)	5.8	9.3	11.5	13.4	14.9	15.6	15.9	16.1	14.5
Red LED	△DO	5.8	3.5	2.2	1.9	1.5	0.7	0.3	0.2	-1.6
Blue LED	DO(mg/L)	4.2	6.6	7.3	7.7	7.9	0.8	8.1	8.1	5.4
Blue LED	△DO	4.2	2.4	0.6	0.4	0.2	0.1	0.1	0.0	-2.7

그 결과, 표 3에 나타난 바와 같이, 최적의 광합성 산소 생성을 위한 MLSS 농도는 블루 LED 광원에서는 200mg/L 이하이고, 레드 LED 광원에서는 500mg/L 이하임을 알 수 있었다.

<실험예 2>

광합성부의 빛 투과 거리에 따른 광합성 산소 생성량을 파악하기 위해 직경이 각각 5cm, 10cm, 20cm, 30cm 및 40cm인 원기둥 형태의 아크릴 반응기를 제작하여 광합성 산소생성량을 측정하였다. 반응기 표면에서의 빛의 세기는 400㎛/m²/s이고, 교반 강도는 100rpm이며, 배양액은 경기도 용인시 소재 하수처리장(영덕레스피아) 방류수를 이용하였다. 반응조의 유효 높이는 30cm이고, 원활한 광합성 반응을 유도하기 위해 암모니아성 질소 50 mg/L, 인산염 인 10 mg/L, 알칼리도 500 mg/L as CaCO₃를 첨가하였으며, 빛 조사 후 60분 동안 생성된 산소농도를 측정하였다. 실험에 사용된 미세조류 생체량 농도는 200 mg/L로 유지하였으며, 경기도 용인시 소재 하수처리장(영덕레스피아)에 설치하여 운전 중인 미세조류 실증연구시설에서 채취하였다.

표 4

투과거리(cm)	5	10	20	30	40
산소농도(mg O₂/L)	16.9	12.5	10.4	7.5	1.2

표 4에 나타난 바와 같이, 빛 투과거리가 증가할수록 광합성 반응에 의한 산소생성량이 감소하였으며 50cm를 초과하는 경우 급격하게 산소 발생량이 감소하여 부유 미세조류를 이용한 광합성 반응의 한계 빛 투과거리는 50cm 전후임을 알 수 있었고, 바람직하게는 30cm 이하임을 알 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 도면에 예시된 것에 한정되는 것은 아니며, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

[부호의 설명]

10: 생물막 여과조 15: 산기관

20: 광합성부 21: 인공 광원

22: 도광판 23: 조류 탈리수단

24: 롤러 25: 와이퍼바

26: 와이퍼 27: 가이드 레일

30: 광합성·질산화조 31:격벽

32: 담체 차단 스크린 35: 질산화부

36: 유동 담체 37: 방열판

40: 침전조

Claims

내부에 고정 생물막을 구비하고, 무산소 상태를 유지하여 유입수가 하부로 유입되어 상향류로 흐르면서 하·폐수의 고형물과 유기물이 제거되고, 탈질이 수행되는 생물막 여과조;

상기 생물막 여과조에서 유기물 및 고형물이 제거된 처리수가 하향류로 흐르면서 처리수의 질산화 및 유기물 산화가 수행되도록 미세조류가 배양되고, 유동 담체가 내부에 충진된 광합성·질산화조; 및

상기 광합성·질산화조에서 처리된 처리수의 슬러지와 상징수를 분리하여 상징수 일부를 상기 생물막 여과조로 반송시키고, 나머지 상징수를 최종 처리수로 배출시키는 침전조를 포함하며,

상기 광합성·질산화조는 관통부가 형성된 격벽을 기준으로 상하부로 구획되어 상부에는 미세조류를 배양시키는 광합성부가 구비되고, 하부에는 유동 담체를 충진시킨 질산화부가 구비되며, 상기 광합성부로 침전조의 슬러지가 반송되는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치.
제1항에 있어서, 상기 광합성부의 평균 혼합액 현탁고형물(MLSS)은 500mg/L 이하가 되도록 유지하는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 침전조의 상징수는 총 상징수에 대하여 50 ~ 200%를 생물막 여과조로 반송시키는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 광합성부는 용존산소 농도가 5mg/L 이상인 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 광합성부는 수심이 50cm 이하인 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 질산화부의 유동 담체 충진율은 20 ~ 50vol%인 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 광합성·질산화조의 관통부는 질산화부의 유동 담체가 광합성부로 유입되지 않도록 담체 차단 스크린이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 광합성부는 상부 및 하부에 인공 광원이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제8항에 있어서, 상기 광합성부는 하부에 도광판이 설치되어 인공 광원의 빛이 도광판을 따라 광합성부에 분산되는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제9항에 있어서, 상기 도광판은 상부에 부착조류의 탈리를 위한 조류 탈리수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제10항에 있어서, 상기 조류 탈리수단은 제어부의 제어를 받아 구동에 필요한 동력을 발생시키는 실린더; 상기 실린더의 구동에 부응하여 구동되는 롤러가 양단부에 각각 결합되고, 도광판의 상면을 좌우로 왕복 이동하면서 도광판 상면에 부착된 미세조류를 탈리시키는 와이퍼가 구비된 와이퍼바; 및 상기 롤러와 체결되어 와이퍼바가 슬라이드 이동되도록 하는 한 쌍의 가이드 레일을 포함하는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 생물막 여과조는 잔존 유기물의 산화를 위해 상부에 산기관을 구비하는 것을 특징으로 하는 하· 폐수 처리 장치.