KR200300296Y1 - 침적형 고정층미생물막법을 이용한 수족관 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 수족관등에 고여있는 오염된 물을 정화하기 위하여 고정층미생물막법(Biological Aerated Filter)을 이용하는 것으로, 미생물접촉여재를 충진한 미생물반응기를 수중에 침적시켜 미생물이 고농도로 서식할 수 있는 환경을 제공하고, 공기의 포기 및 이와 동시에 발생하는 물의 순환을 이용하여 별도의 펌프설비 없이 생물학적으로 수족관의 물을 연속적으로 정화할 수 있는 수처리 장치가 제공된다.

Description

침적형 고정층미생물막법을 이용한 수족관 수처리 장치{METHOD AND APPARATUS OF CONTAMINATED WATER TREATMENT FOR FISH TANK BY SUBMERSIBLE BIOLOGICAL AERATED FILTER}

일반적으로 가정이나 사무실에서 관상용으로 사용하는 수조와 대형 수족관에서 사용하는 수조는 물고기 먹이, 물고기 배설물등의 오염물들로 인하여 미생물이 과다하게 번식하여 수중의 용존산소 농도를 낮추고, 바닥에 침적되어 부패되기 쉬우며, 미생물 과다번식등으로 인하여 수조 내부 벽면에 미생물막이 형성되고 물이 흐려지며 악취가 발생하기 쉬울 뿐 아니라 저수지나 양어장, 연못 등지에서는 부영양화에 의한 녹조현상이 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 정화방법이 개발되고 있으나 양어장 또는 수족관 내부에 있는 오염물질만 선택적으로 분리하는 것은 많은 비용을 필요로 하고, 필터 등을 이용하여 입자성 물질에 대한 물리적인 분리를 하더라도 용존성 오염물은 제거가 불가능할 뿐 아니라 짧은 시간 안에 다시 오염되는 폐단이 있었다. 최근 많이 사용되는 수족관 내부설치용 필터의 경우 수족관 바닥에 필터, 솜, 자갈등을 깔고 그 아래로부터 물을 흡입하여 수족관 내부로 순환 시키는 필터를 주로 사용하는데 이 경우 질산화 미생물은 많은 산소를 필요로 하기때문에 그 효과를 적절하게 발휘하지 못 할 수 있다.

본 고안은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 미생물접촉여재를 포함하는 고정층 미생물반응기를 수조에 침적시켜 미생물을 배양하고 별도의 펌프설비 없이 공기의 주입만으로 발생하는 물의 흐름을 이용하여 연속적으로 오염된 수조의 물을 반응기 내부로 통과시켜 입자성 오염물의 필터링은 물론, 미생물 반응에 의한 용존성 오염물을 제거하고, 미생물 대사에 의해 발생하는 슬러지를 미생물 여재층에 축적시켜 물로 분산되지 않게 하여 항상 깨끗한 수질이 유지될 수 있는 수조를 공급하는 것을 목적으로 한 바이오필터가 내장된 수조를 제공코자 하는데 있다.

도 1 은 본 고안의 일 실시예에 따른 상향류식 공정도이다.

도 2 는 본 고안의 일 실시예에 따른 하향류식 공정도이다.

도 3 은 본 고안의 실시예에 따른 사시도 이다.

도 4 는 본 고안을 적용시킨 수족관 도면이다.

< 도면 주요 부호에 대한 참조부호의 설명 >

1..침적형 미생물반응기 2..미생물접촉여재

3..여재지지대 4..슬러지저류조

5..유입수유입구 6..슬러지제거용노즐

7..산기장치 8..반응기지지대

9..고리 10..여재손실방지대

11..공기유입배관 15..유입수유입구덮개

20..송풍기

본 고안은 고정층생물막반응기를 수중에 침적시키고 공기를 공급하여 포기를 할 때 공기의 상승에 따라 동시에 유발되는 물의 상승흐름에 의하여 오염된 물이 미생물막을 통과하게 되는데 이 때 접촉여재에 부착된 미생물의 대사작용에 의하여 수중의 용존성 유기물과 질소성분이 제거되고, 부유성 물질은 미생물접촉여재의 필터효과에 의해 동시에 제거하는 기술에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 상부 또는 하부가 망으로 구성된 침적형 반응기, 미생물접촉여재, 하부 슬러지저류조, 산기장치, 하부슬러지 제거장치, 공기주입기 등을 포함하는 수질정화장치를 제공한다. 또한 본 고안은 반응기를 수중에 침적된 상태로 유지시키도록 하기 위하여 지지체가 설치되거나 적당한 수위에서 고정될 수 있는 장치를 제공하며 과도한 미생물막 형성 또는 부유성 입자가 축적되었을 때 제거할 수 있는 역세장치를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 상향류식 반응기 공정도이다. 이를 참조하면 미생물접촉여재(2)를 포함한 침적형 고정층 미생물반응기는 양어장 또는 수족관등에 설치하여 완전히 물에 잠기도록 한다. 여기서 반응기 형태는 사각형 형태를 갖추고 있지만 이 외의 원형 및 다른 형태의 외형을 형성할 수 있음은 물론이다.

미생물접촉여재(2)는 세라믹, 플라스틱, 어패류껍질, 고분자 섬유상 물질, 활성탄, 자갈, 모래등 그 재질, 크기 및 형태에 구애를 받지 않으며 미생물과 친화력이 있고 장시간 물에 침적된 상태로 있을 때 손상을 받지 않는 것으로 한다. 미생물접촉여재(2)는 반응기 내부 중간부분에 충진되는데 접촉여재의 상부 또는 하부에는 미생물 여재를 지지하며 동시에 물을 통과시킬 수 있는 망 형태의 지지체(3)가 설치되어 있다. 이 여재 지지체(3)는 미생물접촉여재(2)의 종류에 따라 설치 위치가 결정되는데, 접촉여재의 밀도가 1보다 커서 여재가 물에 가라앉는 경우 접촉여재(2)의 하부에 설치하여 여재가 아래로 유실되는 것을 막고, 접촉여재의 비중이 1보다 작아 물에 뜨는 경우 접촉여재(2) 상부에 설치하여 포기에 의한 접촉여재 유출을 방지하도록 하며 망 크기는 접촉여재가 통과하지 못할 정도로 충분히 작은 것으로 한다.

접촉여재의 아랫부분은 슬러지저류조(4)로 유입수에 포함되어 동반 유입되는 슬러지 중 입자크기가 커 침전되는 슬러지를 저장할 수 있도록 되어있다. 유입수는 슬러지저류조(4)에 설치된 유입수유입구(5)를 통하여 유입되며 접촉여재(2)층을 통과하여 개방된 상부로 배출되게 된다. 이 때 크기가 큰 입자성 물질은 미생물접촉여재(2)층을 통과하지 못하고 아래로 떨어져 축적되고 입자가 아주 작은 부유성 물질이나 용존성 물질만이 미생물접촉여재층(2)을 통과하게 된다. 슬러지저류조(4)는 이와같이 유입수와 동반 유입되어 슬러지저류조에 침적된 잉여슬러지를 보관하기 위한 장소로 사용되며 주기적으로 침적된 슬러지를 제거하기 위한 슬러지제거용 노즐(6)이 설치되고 슬러지저류조에 과잉의 슬러지가 쌓이면 외부로 연결된 배관과 밸브(17)를 이용하여 쉽게 제거할 수 있도록 한다.

미생물접촉여재(2)층 중간에는 미생물의 대사에 필요한 산소를 공급하기 위한 산기장치(7)가 되어 있고 이 산기장치(7)를 통하여 공기를 공급할 송풍기(20)가 제공된다. 이 때 산기장치는 일반적으로 수처리에서 많이 사용하는 디퓨져, 다공성 파이프등 그 종류나 형태에 구애를 받지 않으며 전 미생물접촉여재 (2)층을 통하여 골고루 공기가 분포될 수 있도록 설치하되 미생물접촉여재의 중간부분에 설치하여 물이 유입될 때 용존산소 농도가 낮은 무산소조건을 거친 후 포기층을 통과하여 미생물접촉여재층을 통해 배출되는 배출수의 용존산소 농도는 충분히 높게 유지될 수 있도록 한다.

슬러지저류조(4)에 설치된 유입수유입구(5)주변으로는 유입구 덮개(15)가 제공되며 역세시 물을 배출할 수 있는 역세수 배출관과 밸브(17)가 제공된다. 이 슬러지제거용노즐(6)과 밸브(17)는 일정주기 또는 미생물접촉여재(2)에 미생물 과다성장으로 물의 순환이 지장을 받는다고 판단되는 경우, 송풍기(20)의 송풍량을 늘리고 유입수유입구덮개(15)를 닫은 후 밸브(17)를 열어 수조 내부의 물을 외부로 배출하여 잉여 슬러지를 제거할 수 있도록 하는 장치가 제공된다.

도 2 는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 하향류식 반응기 공정도로, 도 1 에서 언급한 상향류식 반응기와 동일한 유체흐름 원리를 가지고 있으나 반응기를 이중으로 구성하여 원수가 아래 방향으로 흐르도록 고안한 것이다. 상향류식반응기는 접촉여재(2)층과 포기층이 동일한 공간을 사용했음에 비하여, 하향류식 반응기는 접촉여재층(2)과 포기층이 별도로 구성된다. 공기가 포기층을 통과하며 상부로 부상하는 동안 주변의 물도 동시에 이동하는 것은 상향류식 반응기에서 전술한 바와 같다. 이와같이 포기에 따라 물의 이동이 일어나고 동시에 주변의 물이 상승주변의 물을 끌어들이게 되는데 이 때 유입되는 물이 접촉여재층(2)을 통과하게 된다. 이 때 오염된 유입수는 반응기의 상단에서 유입되고 처리수 역시 반응기 상단으로 유출되므로 물의 흐름경로상 처리되어 배출되는 처리수가 다시 유입되는 경우가 있을 수 있으므로 유입수와 처리수의 경로를 전혀 다르게 유지시켜줄 수 있는 수로안내판(14)을 설치하고 유출수를 넓게 퍼지도록 하여 유입수와 유출수가 서로 접촉되지 않도록 한다.

이하 상기 장치의 운전에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 3 과 같은 반응기를 수중에 설치하고 반응기에 공기주입배관(11)을 통하여 공기를 주입하면 산기관을 거쳐 접촉여재의 하단부분으로 미세한 크기의 공기가 유입되게 되고 부력으로 인하여 공기는 상부로 부상하게 되는데 이 때 주변의 물을 상부로 밀어 올리는 펌프 역할을 동시에 수행하게 된다. 따라서 유입수유입구(5)를 통하여 주변의 물이 유입되게 되고, 공기 흐름을 따라 상부로 운송된 물은 반응기 상부를 통하여 주변으로 퍼지게 되며 공기가 공급되는 동안에 계속적인 물의 순환이 일어난다. 이 때 유입되는 유입수에는 물고기 먹이, 배설물등으로부터 발생되는 입자성, 용존성 오염물이 포함되어 있는데 적당한 크기의 입자성 물질은 미생물 접촉여재(2)층을 통과하기 전에 슬러지저류조(4)에서 침전되게 된다. 그러나 아주 미세한 입자성 오염물이나 용존성 오염물질은 물의 흐름을 따라 미생물접촉여재(2)층을 통과하여 위로 부상하게 된다.

미생물접촉여재(2)에는 미생물이 부착성장을 하고 있는데 미생물접촉여재에 끈적한 미생물막을 형성하며 성장하므로 미생물 농도가 높고, 미생물 체류시간이 길어 다양한 종류의 미생물이 서식할 수 있으며 아주 복잡한 먹이사슬을 형성하게 된다.

미생물막을 이용한 수처리 공정은 여재의 표면에 형성된 미생물막과 폐수를 접촉시켜서 폐수중의 오염물을 제거하는 공정이다. 이것은 하천 바닥에 존재하는 자갈, 돌등의 표면에 원생동물, 조류, 윤충류, 세균등의 미생물로 구성되어 있는 미생물막층이 있어서 이것에 의해 하천이 자정능력을 갖게 되는데 이 원리를 이용하여 미생물막에 의한 정화능력을 인위적으로 고효율화 시킨 것이 미생물접촉산화법이다. 이 때 미생물막이란 매질의 표면에 형성된 미생물의 점액물질과 그 함유물을 말하는 것이다.

매질표면에 부착된 미생물은 영양분인 유기물, 질소, 인등을 호기성 조건하에서 섭취해 미생물막을 형성하며, 형성된 미생물은 활발한 대사작용을 통하여 수중에 존재하는 오염물질을 분해한다.

미생물막법 공정의 특성상 미생물이 접촉여재에 부착성장 하므로 미생물의 체류시간이 길어 유기물 제거용 미생물은 물론, 일반적인 미생물을 이용한 수처리 공정에서는 잘 자라기 어려운 질산화 미생물 역시 생물막에서는 성장속도가 빠르다. 수중의 질소제거를 위해서 생물학적 방법을 사용하는 경우 중요한 미생물종은 니트로조모나스(Nitrosomonas) 와 니트로박터(Nitrobacter)인데 이 두 미생물종은 성장에 필요한 에너지를 무기질소화합물을 산화시켜 얻기 때문에 독립영양군으로 분류되며, 세포 합성에 필요한 탄소원을 무기탄소를 이용한다. 이들 질산화미생물들은 성장속도가 매우 느리기 때문에 고정층 미생물막을 이용하는 경우 반응기 내 미생물 농도를 높이는데 큰 효과를 볼 수 있다. 상기 언급된 내용에 따라 수중 오염물을 제거하는 반응식을 보면 다음과 같다.

유기물 제거 및 세포합성

COHNS + O₂CO₂+ NH₃+ C₅H₇NO₂+ 기타 생성물

미생물에 의한 질산화 공정

NH₄ ⁺+ 1.83O₂+ 1.98HCO₃ ^-0.98NO₃ ^-+ 0.021C₅H₇NO₂+ 1.88H₂CO₃+ 1.041H₂O

미생물에 의한 탈질공정

NO₃ ^-NO₂ ^-N₂N₂

위 반응식에서 COHNS는 수중에 포함된 오염물을 나타내는 것이고, C₅H₇NO₂는 미생물 세포를 나타내는 것으로 미생물은 수중 오염물을 이용하여 자신의 세포를 합성 함으로서 용존 오염물을 고형분으로 바꾸고, 고형분은 반응조 안에 체류되었다가 일정 기간마다 행하는 역세공정에 의하여 제거되거나 미생물의 활동에 필요한 에너지원으로 사용되기 위하여 자산화 되기도 한다. 또한 본 공정의 결과로 나타나는 처리수의 매우 높은 용존산소 농도는 주변에 산재된 퇴적물에 충분한 산소를 공급하여 호기성 상태를 유지시키므로 혐기부패에 의한 메탄(CH4) 및 황화수소 (H2S)등 악취가스 발생원인을 제거하여 악취가 발생되지 않도록 한다는 장점이 있다.

본 미생물접촉여재(2)를 통과하고 반응기 상부를 통하여 주변으로 유출되는 처리수는 접촉여재를 통과하면서 공기와 장시간 접촉하므로 용존산소의 농도가 포화용존산소 농도와 유사한 7 ~ 8PPM에 이르며 유입수유입구(5)를 통하여 유입될 당시 포함하고 있던 유기물과 암모니아등 오염물들이 미생물접촉여재를 통과하면서 미생물에 의해 분해되거나 미생물 세포합성에 이용되고 미생물막에 축적되었기 때문에 그 농도가 매우 낮아진 깨끗한 물이 배출되게 된다. 외부로 배출된 처리수는 풍부한 용존산소를 포함하므로 주변에 산소를 공급하는 역할을 할 수 있는데 이렇게 공급되는 산소에 의하여 주변의 혐기성 부패를 막아 악취발생을 방지할 수 있는 방법을 제공한다.

연속운전을 통하여 미생물접촉여재(2)층에는 과잉의 미생물이 자라거나 입자성오염물이 축적되어 물의 순환이 원활하게 이루어지지 못하는 경우가 생길 수 있다. 이런 경우 유입수유입구덮개(15)를 덮고 송풍기(20)의 송풍량을 증가시켜 공기주입량을 늘임으로 공기 흐름에 대한 전단력을 증가시켜 미생물접촉여재(2)에 부착되어 있는 미생물을 떨어뜨린다. 이 후 슬러지배출용 밸브(17)를 열어 물의 흐름이 정상 흐름의 반대방향에 되게 하여 외부로 배출시킨 후 배출된 양만큼의 깨끗한 물을 보충한다.

이러한 미생물막을 형성하기 위하여 미생물접촉여재의 선택이 매우 중요한데 접촉여재는 친수성이며, 미생물과 친화력이 좋고, 적당한 형태와 크기로 가공이 가능하며, 장기간 수중에서 포기와 동시에 침적상태로 방치되었을 때 마손이 없어야 한다. 이러한 특징을 갖는 접촉여재 재질로 세라믹, 플라스틱류, 자갈, 모래, 섬모상 물질, 발포성 플라스틱등 현장 여건과 수족관의 오염상태에 따라 선택할 수 있으며 수중의 입자성물질 농도에 따라 그 크기 역시 변경될 수 있다.

이하, 본 고안의 실시예에 의하여 설명하되, 이 실시예가 본 고안을 한정하는것은 아니다.

실시예 1

도 4 와 같은 형태로 도 3 에 도시한 바와 같은 장치를 수족관에 설치하여 수중의 유기물, 질소등 오염물을 제거하는 실험을 실시하였으며 실험조건 및 결과는 다음과 같다.

- 반응기 규격(가로 x 세로 x 높이, mm) : 100 x 100 x 120

- 수족관 부피 : 1 ㎥

- 여재부피 : 0.6 ℓ

- 여재종류 및 직경 : 세라믹, 5mm

- 반응기내 수리학적 체류시간 : 10 min

- 공기 선속도 : 15 m / hr

* - 투입물 : 물고기 먹이 5 g/일

- 기타 : 수족관에 포기실시

- 결과 : 수족관내 암모니아 농도 변화

실험일수	암모니아 농도( ppm )
	설치	미설치
1	0.3	0.3
3	4	5.2
5	2	8.4
10	1.5	12
20	1.8	10.5

본 미생물 반응기를 설치한 수족관의 경우 초기 며칠간 다소 높은 암모니아 농도를 보이고 즉시 2 ppm 내외로 낮아져 안정을 보였으며 이에따른 물고기 폐사는 볼 수 없었다. 그러나 미생물반응기를 설치하지 않은 반응기는 시간이 지남에 따라 물의 탁도가 증가하는 것이 관찰되었으며 이에따라 암모니아의 농도역시 급격하게 증가하고 물에서 악취가 발생하였다.

실시예 2

도 3 에 도시한 것과 같은 장치를 오염도가 비교적 덜한 관상용 저수지에 설치하고 운전하여 정화를 하였다.

- 반응기 규격(가로 x 세로 x 높이, mm) : 1000 x 1000 x 1200

- 여재부피 : 0.6 ㎥

- 여재종류 및 직경 : 세라믹, 10mm

- 반응기내 수리학적 체류시간 : 20 min

- 공기 선속도 : 20 m / hr

- 결과 : 저수지내의 암모니아 농도변화

실험일수	암모니아 농도(ppm)
	설치	미설치
1	3.2	3.2
5	2.8	3.4
10	1.5	2.8
20	1.2	3.6
30	0.8	3.4
60	0.5	3.5

저수지의 경우 부피가 크므로 초기 암모니아 농도가 낮게 유지되는데 미생물반응기를 설치 후 약 10일 후부터는 질산화 미생물의 활동이 활발해져 저수지내의 미생물농도를 매우 낮추며 동시에 악취 역시 제거되는 현상을 관찰할 수 있었다.

본 고안은 담수 또는 해수 수족관, 양어장 및 활어 운반용 컨테이너등에 고여있는 오염된 물을 정화하기 위하여 고정층미생물막법(Biological Aerated Filter)을 이용하는 것으로, 미생물접촉여재를 충진한 미생물반응기를 수중에 침적시키고 미생물을 배양한 후 폭기과정동안 동시에 발생하는 물의 순환을 이용하여 별도의 펌프설비 없이 생물학적으로 부유성 또는 용존성 유기물은 물론, 질소까지 동시에 제거하여 녹조현상을 없앰은 물론, 수중의 용존산소 농도를 높여 바닥의 혐기성 부패에 의한 악취발생을 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 수중의 오염물을 미생물을 이용하여 제거함에 있어 미생물접촉여재를 충진한 반응기를 수중에 침적시키는 것을 특징으로 하는 침적형 고정층미생물막법을 이용한 수처리 장치.
2. 제 1 항 에 있어서,

   미생물 접촉여재로 천연 또는 인조세라믹, 모래, 자갈, 활성탄, 플라스틱, 발포성플라스틱, 섬유상물질, 어패류껍질, 폐타이어등을 단독 또는 2가지 이상 혼합재료로 하는 미생물 접촉여재를 사용하는 것을 특징으로 하는 침적형 고정층미생물막법을 이용한 수처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   물 순환을 위한 별도의 펌프설비 없이, 폭기용 공기만을 이용하여 물의 순환흐름을 발생시키는 것을 특징으로 하는 침적형 고정층미생물막법을 이용한 수처리 장치.