KR20080019975A

KR20080019975A - 생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형생물―전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한오폐수 처리장치

Info

Publication number: KR20080019975A
Application number: KR20060082597A
Authority: KR
Inventors: 안대희
Original assignee: 안대희
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-05

Abstract

본 발명은 폐수탱크; 상기 폐수탱크로부터 원수를 유입하는 유입 펌프; 원통형의 몸체; 상기 몸체 내의 상단부에 설치되어 상기 원수를 순환시키는 교반기; 상기 몸체의 하단에 설치되고, 티타늄 및 탄소 전극을 양극으로 이용하고, 스테인리스 스틸을 음극으로 이용하는 전극시스템; 및 상기 몸체의 중간 부분에 설치되는 생물학적 활성조를 포함하는 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기; 상기 원수를 순환시키는 재활용 펌프; 상기 반응기를 통하여 처리된 처리수를 배출하는 유출 펌프; 상기 반응기 내에 공기를 유입하는 통풍기; 및 상기 통풍기를 통하여 유입되는 공기를 순환시키는 산기관을 포함하는 오폐수 처리장치에 관한 것이다.

본 발명은 오폐수 처리장치 내에 생물학적 활성조 및 전극시스템을 포함하는 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 설치하여 운전과 유지관리가 용이한 효과가 있으며, 상기 전극시스템에서 발생하는 산소 및 수소를 직접 유기물의 산화, 질산화 및 탈질에 사용되는 전자공여체 및 전자수용체로 사용하여 유기물 및 질소를 제거하는 효과가 있다.

전극시스템, 생물학적 활성조, 하이브리드, 반응기

Description

생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형 생물―전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치 {Wastewater Treatment Apparatus using Hybrid Bio―Electrochemical Sequencing Batch Reactor combined a biological reactor and an Electrode System}

도 1은 본 발명에 따른 생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치의 모식도를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 사용된 전극의 배치도를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 반응기의 운전 모드의 흐름도를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 오폐수 처리장치에서의 MLSS 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 오폐수 처리장치에서의 유입수와 유출수의 질소농도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 오폐수 처리장치에서의 COD_Cr 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 폐수탱크 20: 유입 펌프

30: 반응기 31: 몸체

32: 교반기 33: 전극시스템

34: 생물학적 활성조 40: 재활용 펌프

50: 유출 펌프 60: 통풍기

70: 산기관 100: 오폐수 처리장치

발명의 분야

본 발명은 폐수탱크; 상기 폐수탱크로부터 원수를 유입하는 유입 펌프; 원통형의 몸체; 상기 몸체 내의 상단부에 설치되어 상기 원수를 순환시키는 교반기; 상기 몸체의 하단에 설치되고, 티타늄 및 탄소 전극을 양극으로 이용하고, 스테인리스 스틸을 음극으로 이용하는 전극시스템; 및 상기 몸체의 중간 부분에 설치되는 생물학적 활성조를 포함하는 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기; 상기 원수를 순환시키는 재활용 펌프; 상기 반응기를 통하여 처리된 처리수를 배출하는 유출 펌프; 상기 반응기 내에 공기를 유입하는 통풍기; 및 상기 통풍 기를 통하여 유입되는 공기를 순환시키는 산기관을 포함하는 오폐수 처리장치에 관한 것이다.

발명의 배경

최근 심각해지고 있는 국내 하천 및 호소의 부영양화는 유입된 영양염류가 제거되지 않고 매년 반복 순환되어 조류의 과다발생에 따른 부영양화가 진행되는 것이 호소 수질관리의 큰 문제점으로 대두되고 있다. 점오염원에서 발생되는 영양염류뿐만 아니라, 비점오염원으로 많은 부분을 차지하고 있는 소규모 축사 등의 질소, 인의 처리가 시급한 상태이나 경제적인 측면에서 적절한 처리공법이 제시되지 못하고 있는 실정이다. 오폐수, 하천, 호소의 고도처리를 위해 제시된 다양한 공정 중 경제적이고 친환경적인 측면에서 생물학적 처리방법이 많은 관심을 두고 연구되고 있으며, 특히, 미생물막을 이용하는 방법이나 미생물을 고정화하여 미생물량을 늘리는 연구들이 이루어지고 있다. 이런 미생물들을 고정화한 생물막 공법들과 연계하여 처리조건들을 조합한 새로운 연속공정, 예를 들면 혐기-호기 연속공정이나 무산소-호기 연속공정 등이 활발히 연구되고 있다. 그러나, 이들 공정은 오폐수의 고도처리에는 적합할 수 있으나, 하천, 호소와 같이 저농도로 존재하지만 조류발생에 지대한 영향을 미치는 질소나 인 제거에 적용하기에는 유기물 등이 충분치 않아 어려움을 겪고 있는 실정이다. A/O나 A2/O와 같은 일반적인 질소제거 공정은 공간적으로 연속적 무산소조(탈질화) 및 호기성조(질산화)를 포함한, 상기 공정은 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 낮은 농도의 생물학적 분해 가능한 유기물을 이용한 호소 및 강물의 처리시 탈질균은 본질적으로 전자 수용체(electron donor)로써 탄소원을 필요로 한다. 이러한 이유로 독립영양 탈질은 외부 탄소원(메탄올, 에탄올, 아세트산 등)의 불필요와 적은 잉여 슬러지의 생산 때문에 최근에 많은 관심을 모으고 있다. 현재, 독립영양 탈질은 이러한 공정에 이용될 수 있을 것으로 보인다. 수소 이용성 탈질 미생물 (Hydrogentrophic)은 수중의 이산화탄소를 탄소원으로 이용하고, 질산염을 아질산염으로 전화시켜 수중에서 수소기체 산화를 이용하여 질소가스로 질소를 제거한다. 상기 공정은 수소가스가 자연적으로 유해 오염물이 아니며, 과잉 투여할 필요가 없어 수중에서 수소의 낮은 용해성으로 뛰어난 반응물을 만드는 것이 가장 큰 장점이다. 그러나 수중에 낮은 농도의 수소가스는 불용해성이나 혹은 물질의 가스상에서 액체상으로 수소가스로의 전환되는 율로 독립영양 탈질비로 조절될 수 있다. 따라서 큰 부피를 가지는 생물학적 반응기는 접촉시간의 증가시키는 것이 완전한 탈질을 이루기 위해서 요구된다. 자연 상태에서 수소가스의 폭발성이 반응기의 운전기간 동안에 안전의 문제를 가져올 수도 있으며, 상기 단점은 종속영양탈질과 비교하여 운전비용 및 초기비용이 높은 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 종래 기술의 단점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 연속회분식반응기에 생물학적 활성조 및 전극시스템을 장착하여 유기물 및 질소를 제거하고, 상기 전극시스템에서 발생하는 수소기체를 이용하여 조류의 제거까지 가능한 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 오폐수 처리장치를 이용하여 유기물 및 질소를 제거하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐수탱크; 상기 폐수탱크로부터 원수를 유입하는 유입 펌프; 원통형의 몸체; 상기 몸체 내의 상단부에 설치되어 상기 원수를 순환시키는 교반기; 상기 몸체의 하단에 설치되고, 티타늄 및 탄소 전극을 양극으로 이용하고, 스테인리스 스틸을 음극으로 이용하는 전극시스템; 및 상기 몸체의 중간 부분에 설치되는 생물학적 활성조를 포함하는 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기; 상기 원수를 순환시키는 재활용 펌프; 상기 반응기를 통하여 처리된 처리수를 배출하는 유출 펌프; 상기 반응기 내에 공기를 유입하는 통풍기; 및 상기 통풍기를 통하여 유입되는 공기를 순환시키는 산기관을 포함하는 생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 반응기는 A/O 공정, A/O 변형 공정, A/O/A/O 공정으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 활성조는 로프형태의 생물막 여재를 fix-bed로 이용하고, 담체에 미생물을 고정하여 운전하는 것을 특징으로 하는 것을 특 징으로 할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 오폐수 처리장치를 이용하여 유기물 및 질소를 제거하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치(100)는 폐수탱크(10); 상기 폐수탱크로부터 원수를 유입하는 유입 펌프(20); 원통형의 몸체(31); 상기 몸체 내의 상단부에 설치되어 상기 원수를 순환시키는 교반기(32); 상기 몸체의 하단에 설치되고, 티타늄 및 탄소 전극을 양극으로 이용하고, 스테인리스 스틸을 음극으로 이용하는 전극시스템(33); 및 상기 몸체의 중간 부분에 설치되는 생물학적 활성조(34)를 포함하는 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기(30); 상기 원수를 순환시키는 재활용 펌프(40); 상기 반응기를 통하여 처리된 처리수를 배출하는 유출 펌프(50); 상기 반응기 내에 공기를 유입하는 통풍기(60); 및 상기 통풍기를 통하여 유입되는 공기를 순환시키는 산기관(70)을 포함한다.

상기 유입 펌프를 이용하여 상기 폐수탱크로부터 상기 오폐수 처리장치 내에 원수를 유입하고, 상기 오폐수 처리장치를 통하여 처리된 처리수를 상기 유출 펌프를 통하여 배출하며, 상기 재활용 펌프를 추가로 구비하여 원수를 순환시키며, 상기 원수의 순환은 상기 오폐수 처리장치 내의 혼합 상태를 향상시킨다.

본 발명에 따른 반응기 내에 설치된 전극시스템은 한 쌍의 전극은 질산화단 계에서 산소 기체(양극)를 만들기 위해서 사용하고, 다른 한 쌍의 전극은 탄소가 반응기의 전극에서 양극으로 사용할 때 이산화탄소가 산소보다 먼저 형성되므로, 무산소 상태의 탈질 단계에서 수소 기체(음극)를 발생시키기 위해서 사용한다. 상기 전극시스템의 양극은 티타늄 전극 및 탄소 전극을 이용하고, 상기 전극시스템의 음극은 스테인리스 스틸을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 반응기의 중간 부분에 생물학적 활성조를 설치하고, 상기 생물학적 활성조는 로프형태의 생물막 여재를 fix-bed로 이용하고, 반응기 내에 생물막을 형성할 수 있는 담체를 제공하여 담체에 부착하여 자라는 부착성 미생물을 이용하여 유기물의 산화 및 질산화 및 탈질을 도모한다. 이와 같이, 담체에 미생물을 고정하여 운전하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 반응기의 하단부에 침지형 열온기를 추가로 구비하여 상기 반응기 내의 온도를 25 ~ 30℃를 유지한다.

다음으로, 본 발명에 따른 생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치의 작동을 살펴보면, 유입, 무산소, 호기조, 침전 및 유출의 싸이클로 이루어진다. 상기 오폐수 처리장치 내에 생물막 여재 및 전극 시스템을 장착하여 유기물 및 질소를 제거하고, 상기 전극 시스템에서 발생한 산소 및 수소를 직접 유기물의 산화, 질산화 및 탈질에 사용되는 전자공여체 및 전자수용체로 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 오폐수 처리장치를 이용하여 수소 이용성 탈질 미생물(hydrogentrophic)을 이용한 탈질이 이루어지도록 하여, 낮은 농도의 유기물과 함 께 존재하는 질소의 제거, 호소 및 하천수 조류의 제거 및 호소수나 강물에 포함되어 있는 조류를 부상시켜 제거한다. 또한, 하천 및 호소수 내에 존재하는 조류는 전극에서 발생하는 기포에 의해서 부상하여 제거하도록 하는데, 반응기 내에 작은 기포로 이루어진 수소가 만들어지므로, 수소가 보다 쉽게 생물학적 반응에 이용될 수 있을 정도로 용해된다. 수중에서 20~40um의 지름을 갖는 수소기체의 기포의 발생으로 이루어질 수 있다. 양극물질(anodic material)이 적당할 때 양극의 표면에서 산소가 부수적으로 발생하는 것으로 알려져 있으며, 몇 개의 쌍으로 이루어진 전극시스템을 이용하여 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기는 질산화 및 수소 이용성 탈질 미생물(hydrogentrophic)을 이용한 탈질이 동시에 실행된다.

본 발명에 따른 오폐수 처리장치 내에 설치된 반응기의 공정은 A/O 공정, A/O 변형 공정 및 A/O/A/O 공정으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않을 것이다.

실시예 1: 실험 장치 제작

(1) 생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치의 구성

생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기(Bio-Electrochemical Biofilm Sequencing Batch Reactor: BESBR)를 lab-scale로 제작하였으며, 상기 반응기는 도 1에 도시한 바와 같이, 원통형 모양의 아크릴로 제작하였다. 시제품으로 제작된 반응기의 총체적은 21L이며, 운전 체적은 19L이다.

실험장치의 구성은 상기 반응기 중간 부분(8.4L)에 Fixed-bed media가 부착된 생물학적 활성조를 설치하였으며, 상기 생물학적 활성조를 제외한 나머지 운전체적(10.6 L)에는 반응기를 상·하단으로 나누어, 상기 반응기의 상단에는 교반기, 산기관, lever-sensor 및 online sensor 측정 장치를 설치하였다.

상기 반응기 하단에는 도 2에 도시한 바와 같이, 두 쌍의 전극(금속-금속, 탄소전극-금속)을 설치하였다. 또한, 전극들을 수차례 테스트하여, 최적의 성능을 지닌 티타늄전극과 탄소전극을 선택하였고, 선택된 12개의 티타늄(Titanium anode) 양성 전극(호기성조)과 6개의 탄소(Carbon anode) 양성 전극(무산소조)을 다른 20개의 스테인리스 스틸(Stainless steel cathode) 음성 전극과 함께 설치하였다. 각 전극의 크기는 30(높이)×50(넓이)×0.5(두께)이며, 양극의 유효면적은 15㎠, 음극의 유효면적은 30㎠이다. 한 쌍의 전극은 질산화단계에서 산소 기체(양극)를 만들기 위해서 사용되고, 다른 한 쌍의 전극은 탄소가 반응기의 전극에서 양극으로 사용될 때, 이산화탄소가 산소보다 먼저 형성되므로 무산소 상태의 탈질 단계에서 수소 기체(음극)를 발생시키기 위해서 사용되었다.

또한, 본 발명에 따른 반응기의 중간 부분에 생물학적 활성조를 설치하고, 상기 생물학적 활성조는 생물막 형성을 위하여 실모양의 로프형태 media를 Fix-bed 로 이용하였다. Y모양의 Media는 나이론 BCF(Bulky contiuous Filamentous)의 수많은 가는 실(multi-filaments)과 단일 실(mono-filaments)로 이루어져 있으며 대한민국 서울의 효성 BC^PLUS제품을 사용하였다. 실험에 사용한 Media의 성상은 길이당 표면적(surface area per unit length) 1 ㎡/m, 너비(width) 30~40mm, 공극율(void fraction) 95%이다. Y형 모양의 BCF Media는 미생물의 부착이 안정적으로 유지되어 있는 형태이므로, 부착된 미생물이 airflow와 반응기 내부의 물의 순환에 쉽게 영향을 받지 않는다. 28개의 Media rope(길이:220 mm)는 스테인리스 스틸재질의 구조에 부착되어 반응기의 중간부분에 설치되었으며, 반응기의 Media의 총 표면적은 6.2 ㎡이다.

정량 펌프를 이용하여 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기에 원수를 직접 유입해주었으며, 처리된 유출수를 외부로 배출시켰다. 순환은 반응기 내의 혼합 상태를 향상시키기 위해서 적용되었으며, 결과적으로 운전기간 동안 65 ml/min의 유속으로 재순환하였다. 종래의 연속운전모드와 생물전기화학적 운전모드의 공기 공급량은 2L/min으로 유지하였다. 본 발명에 따른 오폐수 처리장치는 전기적 조절 장치에 의해서 운전주기 시간을 자동적으로 조절하였다.

도 3은 본 발명에 따른 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기의 운전 모드의 흐름도를 도시한 것으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 종래 연속회분식 반응기(Sequenct Batch Reactor)의 한 사이클 동안의 운전모식도이다. 한 사이클 동안에 유입(feeding), 무산소조(anoxic), 호기조(oxic), 침전(sedimentation) 및유출 (draw phase)이 이루어졌다. 상기 무산소조와 호기조는 HRT에 따라 변화되었으며, 다른 반응시간은 일정하게 유지하였다. 유출된 체적 비율은 운전 체적에 대해 0.11이며, 매 회 사이클 주기 동안에 반응기에 2L의 원수가 유입되었다. 반응기의 온도는 하단부분에 침지형 열온기를 사용하여 25 ~ 30℃를 유지하였다.

생물막 형성을 위해서 경안 하수처리장의 반송 활성슬러지를 이용하여 식종하였으며, 상기 반응기 내에서 biomass의 안정화와 biofilm 형성을 위해 인공폐수를 이용하여 회분식으로 일주일간 반응기를 운전하였다. 초기의 biomass 농도는 5500mg MLSS/L이며, 인공폐수의 조성은 Glucose, 100 mg COD_Cr/l ; (NH₄)₂SO₄, 75 mg N/l; Glutamate, 0.15 g/l; NaCl, 0.015 g/l; CaCl₂.2H₂O, 0.006 g/l; MgSO₄.7H₂O, 0.0051 g/l; and pH buffer solution (solution B) (KH₂PO₄, 0.0021 g/l; K₂HPO₄, 0.009 g/l; Na₂CO₃, 0.09 g/l; NaHCO₃, 0.09 g/l)이다.

(2) 유입폐수의 성상

유입폐수는 경기도 이천시 하수처리장 내의 처리시스템의 유입수에서 채취하였고, 실험에 사용하기 전까지 4℃ 냉장고에 보관하였다. 본 발명에 따른 오폐수 처리장치로의 유입수는 채취한 폐수를 수돗물로 10배 희석하여 사용하였다. 유입수 성상은 [표 1]에 나타내었다.

유입수의 성상

Items	Average value	Minimum value	Maximum value	Unit
pH	8.38	8.02	8.5	-
Alkalinity	1243	830	1545	mg/L
SCOD_Cr	875	467	1500	mg/L
TCODD_Cr	1274	876	2140	mg/L
NH₄ ⁺-N	255	130	378	mg/L
NO_x ^--N	1.2	0	2.0	mg/L

실시예 2: 실험결과

(1) 미생물 농도의 변화

도 4는 본 발명에 따른 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기에서의 MLSS 농도의 변화를 나타낸 그래프를 도시한 것으로, 생물막 형성을 위한 회분식 운전 동안 용존 고형물(Suspended solid) 농도는 처음 4일 , 5500 mg/l에서 약 3000 mg/l 까지 급속하게 감소하였다. 이것은 표면적이 크고 실 모양 형태의 BC^PLUS media(일반적으로 실제공정에 사용되는 기존 media보다 대략 7배 이상)는 많은 양의 biomass가 담체에 빠르게 부착되고, 유지되는 장점이 있다. 다음 3일 동안, 반응기 내의 MLSS농도 변화는 거의 관찰되지 않았는데, 이는 1주일 후에 최대용량의 담체에 고정된 biomass가 성공적으로 부착된 것이다. 운전 7일에 용존된 biomass는 반응기의 MLSS 농도로부터 완전하게 제거되었으며, 다음 17일 동안에(운전 25일까지) MLSS농도는 여전히 낮게 유지되었다(10±2 mg/l). 반응기 운전 2주 후에는, MLSS의 농도가 천천히 증가하여 70 mg/l이 되었는데, 이는 유입수의 난분해성 입자들의 축적과 반응기 내의 용존된 성장 미생물 때문인 것으로 사료된다. 운전 60일 후, 이전기간보다 MLSS 농도의 증가율이 높아졌고 최종 약 3000 mg/L MLSS 농도가 운전 마지막 기간 동안 관찰되었다.

(2) 질소 및 유기물의 변화

도 5는 본 발명에 따른 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기에서의 유입수와 유출수의 질소농도의 변화를 나타낸 그래프를 도시한 것으로, 실험의 초기부터 질산화 과정을 관찰할 수 있다. 이는 미생물 식종기간 동안 NH₄ ⁺-N과 NO_X ^--N 농도의 감소로 설명할 수 있으며, 약 80% 의 NH₄ ⁺-N가 운전기간 6일에 질산화되는 것이다. 아질산성 질소(NO₂ ^--N)의 축적에 의한 질산화 저해 현상이 운전 초기 4일 동안 관찰되었으나. 2일 후부터는 발견되지 않았다. 질산성 질소(NO₃ ^--N)의 농도는 회분식의 운전 기간 동안 꾸준히 증가하였고, 운전 6일째 초기 인공폐수의 NH₄ ⁺-N 농도에 상당하는 약 72mg N/l을 나타내었다. 이것은 질산화미생물(ammonium oxidivzing bacteria, AOB; nitrite oxidizing bacteria, NOB)이 반응기에 충분히 순응되었다는 것을 나타낸다. 운전 8일째, 연속 운전 상태로 시작하였고, 반응기에 희석된 폐수를 주입하였으며, 운전 8일과 17일 사이에, 반응기는 9.5일의 HRT로 운전한 결과, 매우 높은 질산화율이 성공적으로 이루어졌고, 유출수의 낮은 암모니아성 질소 농도와 유입수의 NH₄ ⁺-N농도와 질산성 질소농도의 비슷한 제거율이 나타났다. 이는 질산화균이 희석된 폐수 성상에 대해 충격부하를 갖지 않았다는 것을 보여 주는 것으로 질산화 효율은 HRT가 2배 감소된(9.5일 HRT에서 4.25HRT) 다음 일주일 동안은 일정하게 99.5%를 유지하였다. 운전 17일에 총무기성 질소부하량이 0.04 kg N/㎥/d ~ 0.07 kg N/㎥/d까지 증가하였으며, 이는 생물막에 의한 질산화균의 질산화 활성이 HRT의 감소에 영향을 받지 않는다는 것을 나타낸다. 또한 유출수의 아질산성 질소농도가 거의 유출되지 않았으며, 연속적인 운전 기간의 초기 16일 동안에 완벽하게 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화가 일어났음을 나타낸다. 운전기간 24일에 새로운 폐수를 채취하였으며, 이전 폐수와 비교해서 높은 암모니아성 질소(2배)를 포함하며, TIN부하량이 증가하여 0.16 kg N/㎥/d 나타내었다. 새로운 유입수를 교체된 2일 후에, 유출수의 암모니아성 질소는 50 mg/l로 증가하였으나, 이는 점차 감소하여 운전기간 37일에는 낮은 농도의 암모니아성 질소의 농도(2 mg/l)를 유지하여 90%의 질산화 효율이 이루어졌는데, 이는 생물막의 암모니아 산화균의 활성이 TIN부하량의 증가와 함께 빠르게 이루어짐을 나타낸다. 운전 기간 동안 NO_x ^--N의 경우, 질산성 질소의 농도가 새로운 유입수 교체 일주일 후(반응기 운전 27~40일)에 갑자기 약 5 mg/l로 감소되었으며, 결론적으로 다음 한 주 동안 약 16 mg/l를 유지하였다. 그러나 반응기 운전 30일에 유출수의 아질산성 질소가 축적되었고, 100 mgNO₂ ^--N/l을 나타내었다. 이는 질산화의 효율이 언급된 기간 동안에 변화되지 않았기 때문이며 불완전한 질산화(암모니아성 질소가 아질산성 질소로만 전화된 형태)가 반응기 내에서 일어난 것으로 사료된다.

생물학적 질산화는 각각 AOB와 NOB의 질산화균을 이용하여 암모니아성 질소가 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 연속적인 산화과정을 거치게 된다. 아질산성 질소 산화균은 일반적으로 free 암모니아성 질소(0.1~10 mg N/l)와 용존 산소농도의 제한성, HNO₂(0.22~0.8 mg N/l)에 영향을 받는 것으로 알려져 있는데, 이는 암모늄 산화와 아질산성 산화에 다른 산소포화계수(각각0.16 mg/l, 0.54 mg/l)가 필요하기 때문이다. 그러므로 낮은 용존산소는 아실산성 질소 산화에 제한적으로 일어날 수 있다. 27일부터 41일 사이에 생물막에서 불완전한 질산화는 대부분 용존산소의 제한에 기인한다. 또한, 이 기간의 TCOD 부하의 증가 때문에 생물막의 외부층에서 종속영양의 박테리아의 급격한 증가를 가져오며, 독립영양의 질산화균이 위치한 생물막의 내부층에 DO 농도를 감소시킬 수 있다. pH는 중성이고, 이는 평균 HNO₃ 농도가 낮다고 추측할 수 있으며, HNO₃는 아질산염의 축적과 상응하지 않는다고 결론내릴 수 있다. 41일부터 97일 사이에, 유출수의 아질산염은 대부분 10mg/L 이하의 농도로 축적되며 반면에 질산염 농도는 점차적으로 증가하며 항상 약 100mg/L이다. 이는 반응기 시스템에서 AOB와 NOB사이에 수 또는 활동성의 평형을 회복하는 것을 가능하게 한다. 99일째 포기장치의 고장으로 암모늄과 아질산염의 축적 데이터에 주의를 해야 한다. 포기장치의 고장으로 반응기 내에 낮은 DO 농도가 유발되었다. 포기율을 다시 유지한 후, 암모늄, 아질산염 그리고 질산염의 경향은 이전과 동일해졌다. 111일째, 반응기의 종전에 사용된 운전 방식을 생물전기화학 연속 회분 방식으로 바꾸고 적용 밀도 흐름은 각각 무산소조 15A/㎡, 호기조 7.5A/㎡이다. 질산화율이 이전과 동일할 때, 유출수의 질산염 농도는 약 50mg/L까지 감소한다. 반응기에서 전극을 이용함으로써 탈질화는 영향을 받는 것으로 보인다. 이는 반응기 내에 수소 이용성 탈질미생물 (hydrogentrophic)이 존재할 때 양극에서 생성된 H₂가스를 이용하여 질산염이 감소되며 질산 가스로 독립영양적으로 환원시킬 수 있음을 암시한다.

도 6은 본 발명에 따른 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기의 COD_Cr 농도의 변화를 나타낸 그래프를 도시한 것으로, 이는 유입수에 포함된 생물학적 분해 가능한 유기물이 산화되어 실험 마지막 기간 동안에 약 90%의 제거 효율을 보여주며, TCOD_cr 부하량은 약 1.15 kg/㎥/d로 계산되었다. 유출수의 COD_cr 성분은 축산폐수 속에 포함된 난분해성 유기물에 상응하는 값이 측정되는 것으로 사료된다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 오폐수 처리장치 내에 생물학적 활성조 및 전극시스템을 포함하는 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 설치하여 운전과 유지관리가 용이한 효과가 있으며, 상기 반응기 내에서 작은 기포로 구성되는 수소가 생성되어 충분히 용해됨으로써, 보다 쉽게 생물학적 반응에 이용될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 전극시스템에서 발생하는 산소 및 수소를 직접 유기물의 산화, 질산화 및 탈질에 사용되는 전자공여체 및 전자수용체로 사용하여 유기물 및 질소를 제거하는 효과가 있다.

Claims

폐수탱크;

상기 폐수탱크로부터 원수를 유입하는 유입 펌프;

원통형의 몸체; 상기 몸체 내의 상단부에 설치되어 상기 원수를 순환시키는 교반기; 상기 몸체의 하단에 설치되고, 티타늄 및 탄소 전극을 양극으로 이용하고, 스테인리스 스틸을 음극으로 이용하는 전극시스템; 및 상기 몸체의 중간 부분에 설치되는 생물학적 활성조를 포함하는 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기;

상기 원수를 순환시키는 재활용 펌프;

상기 반응기를 통하여 처리된 처리수를 배출하는 유출 펌프;

상기 반응기 내에 공기를 유입하는 통풍기; 및

상기 통풍기를 통하여 유입되는 공기를 순환시키는 산기관을 포함하는 생물학적 활성조 및 전극시스템이 결합된 하이브리드형 생물-전기화학적 생물막 연속회분식 반응기를 이용한 오폐수 처리장치.
제1항에 있어서, 상기 반응기의 공정은 A/O 공정, A/O 변형 공정 및 A/O/A/O 공정으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.
제1항에 있어서, 상기 생물학적 활성조는 로프형태의 생물막 여재를 이용하고, 담체에 미생물을 고정하여 운전하는 것을 특징으로 하는 것을 오폐수 처리장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 오폐수 처리장치를 이용하여 유기물 및 질소를 제거하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리방법.