KR20170029794A - 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인공생물막을 평판형으로 제작함으로써 인공생물막 내의 미생물 분포밀도를 균일하게 하여 인공생물막의 기질전달률을 향상시킴과 함께 인공생물막의 접촉면적을 증대시켜 미생물에 의한 오염물질 제거효율을 극대화시킬 수 있는 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 평판형 인공생물막 제조방법은 고분자 물질과 증류수를 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액과 미생물을 혼합하여 미생물-겔 용액을 제조하는 단계; 다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입하여, 다공성 지지체의 내부에 미생물-겔 용액이 충진됨과 함께 다공성 지지체의 표면에 미생물-겔 용액이 구비된 형태로 성형하는 단계; 및 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 경화시켜 평판형 인공생물막을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공생물막을 평판형으로 제작함으로써 인공생물막 내의 미생물 분포밀도를 균일하게 하여 인공생물막의 기질전달률을 향상시킴과 함께 인공생물막의 접촉면적을 증대시켜 미생물에 의한 오염물질 제거효율을 극대화시킬 수 있는 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치에 관한 것이다.
미생물 고정화(immobilization) 기술은 특정 미생물 종 혹은 군집을 일정 공간에 고정화시키는 방법으로 생물학적 수처리공정 전반에 사용되고 있다. 미생물 고정화 기술은 세포 고농축 배양이 가능하며, 재사용을 위한 분리가 수월하다는 장점이 있다. 특히, 고정상 미생물을 이용하면 빠른 수리학적 체류시간 조건에서 미생물의 세출현상(wash-out) 없이 생물학적 수처리공정을 운전할 수 있다. 이와 같은 고농축 배양 및 빠른 수리학적 체류시간은 특정 생물학적 수처리공정의 단위부피당 투입기질량을 증대시킬 수 있음을 의미하며, 궁극적으로 단위시간당 생산효율을 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 대상 생물학적 수처리공정을 폐수처리공정으로 가정할 경우, 특정 오염물질의 제거효율을 크게 향상시킬 수 있음을 의미한다. 이 뿐 아니라, 고정상 미생물은 부유 미생물에 비하여 전단력(shear stress)에 의한 충격에 안정적이며, 일부 특수한 경우 유전성 안전성을 증대시킨다.
미생물 고정화 기술에는 1) 미생물의 활성을 이용한 자연적 고정화 기법과 2) 특정 화합물을 이용한 인공 미생물 고정화 기법이 있다. 전자의 경우, 미생물이 분비하는 점액성 물질인 exo-polysaccharide(EPS)에 의해 미생물이 점착되어 생물막(biofilm) 또는 과립(granule) 등의 형태로 고정화되는 기법이다. 이와 같은 자연적 고정화 기법은 특별한 첨가제 없이 미생물의 활성만으로 고정화시킨다는 장점이 있다. 그러나, 이온 강도, 전단력, EPS 유무 등 다양한 인자에 의해 영향을 받기 때문에 안정성이 낮은 단점이 있다. 또한, 기존에 확보되어 있는 미생물의 농도가 낮은 경우, 미생물 고정화에 상당 시간이 소요된다. 예를 들어, 과립(granule)을 이용한 생물학적 수처리공정의 경우, 과립(granule)이 특정 크기까지 성장하는데 장시간의 공정 운전이 필요하다.
반면에, 인공 미생물 고정화 기법은 화합물을 첨가하여 물리적 또는 화학적 결합을 이용하여 미생물을 고정화하는 기술로써, 자연적으로 형성된 고정상 미생물보다 외부 환경조건에 대한 안정성이 뛰어나 공정 안전성 확보에 유리하다. 또한, 자연적 고정상 미생물을 이용한 공정과 비교하여 초기 기동에 소요되는 시간이 짧다.
한편, 종래의 대부분의 인공 미생물 고정화 기법은 구형(球形) 또는 정육면체 형태의 담체에 미생물을 고정화시키는 방법에 한정되어 있다. 이와 같은 담체형 인공생물막의 경우, 운전 중 담체의 유실, 담체 간 마찰에 의한 미생물 손실 등이 발생되는 문제가 있다. 또한, 미생물이 담체 표면으로부터 일정 깊이 내의 영역에 집중되어 있어, 담체 중심부에서는 미생물에 의한 반응이 진행되지 않아 기질 전달률이 급격히 감소되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 인공생물막을 평판형으로 제작함으로써 인공생물막 내의 미생물 분포밀도를 균일하게 하여 인공생물막의 기질전달률을 향상시킴과 함께 인공생물막의 접촉면적을 증대시켜 미생물에 의한 오염물질 제거효율을 극대화시킬 수 있는 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 평판형 인공생물막 제조방법은 고분자 물질과 증류수를 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액과 미생물을 혼합하여 미생물-겔 용액을 제조하는 단계; 다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입하여, 다공성 지지체의 내부에 미생물-겔 용액이 충진됨과 함께 다공성 지지체의 표면에 미생물-겔 용액이 구비된 형태로 성형하는 단계; 및 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 경화시켜 평판형 인공생물막을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 평판형 몰드는 일면이 개구된 직육면체 형태이다.
평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입하여 성형하는 단계에서, 다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입한 다음, 상기 평판형 몰드에 몰드 덮개를 덮은 후, 몰드 덮개를 가압하여 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 성형할 수 있다.
상기 몰드 덮개는 판상 플레이트 형태이다. 또한, 상기 몰드 덮개의 일면 상에 3차원 형상의 돌기부가 구비될 수 있다. 상기 3차원 형상의 돌기부는, 입체 형상의 돌기패턴이 이격되어 반복 배치되는 형태로 이루어지나 벌집 형태를 이룰 수 있으며, 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물의 표면은 3차원 형상의 돌기부에 대응되는 형상을 이룰 수 있다.
다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 경화시켜 평판형 인공생물막을 제조하는 단계는, 상기 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 냉동시키는 과정과, 냉동된 성형물을 해동시키는 과정을 포함하여 구성된다. 또한, 성형물의 냉동 및 해동과정을 반복 실시할 수 있다.
상기 고분자 물질은 폴리비닐알코올(PVA)이다. 또한, 상기 고분자 물질은 폴리에틸렌글리콜(PEG, polyethylene glycol), 한천(agar), 알지네이트(alginate), K-carrageenan, 폴리아크릴아미드(PA, polyacrylamide), 키토산(chitosan), 겔라틴(gelatin), 콜라겐(collagen), 폴리우레탄(polyurethane), 실리카 겔(silica gel), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오즈아세테이트(cellulose triacetate) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합일 수 있다.
상기 고분자 용액에 혼합되는 미생물은 호기성 미생물, 혐기성 미생물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합이다. 또한, 상기 다공성 지지체는 부직포 또는 섬유질 천으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 평판형 인공생물막은 다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액이 주입된 상태에서, 몰드 덮개를 가압하여 성형된 것이며, 다공성 지지체의 내부 및 표면에 미생물-겔 용액 성분이 겔(gel) 형태로 경화된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치는 미생물을 이용한 생물학적 반응을 통해 원수를 처리하는 생물반응조; 및 상기 생물반응조 내에 구비되며, 미생물이 고정화된 평판형 인공생물막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 생물반응조는 연속흐름형 생물반응조(CSTR), 관형흐름형 생물반응조(PFR), 회전원판형 생물반응조(RBC) 중 어느 하나이다. 상기 평판형 인공생물막은 고정틀 상에 거치될 수 있다. 또한, 상기 생물반응조가 회전원판형 생물반응조(RBC)인 경우, 생물반응조 내에 회전축이 구비되고, 상기 회전축 상에 복수의 회전원판이 이격되어 배치되며, 각각의 회전원판의 일측에 평판형 인공생물막이 구비된다.
상기 생물반응조의 후단에 외부폭기조가 더 구비되며, 상기 외부폭기조는 외부의 산기장치로부터 유입되는 산소에 의해 호기 조건이 유지되며, 외부폭기조의 용존산소농도는 산기장치로부터 공급되는 산소량 또는 공기량을 통해 조절되며, 생물반응조의 처리수는 상기 외부폭기조로 유입되어 처리되며, 외부폭기조의 처리수 중 일부는 생물반응조로 반송되어 생물반응조의 용존산소농도가 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치는 다음과 같은 효과가 있다.
원수를 생물학적으로 처리하는 미생물이 평판 형태의 인공생물막 내에 고정되는 방식임에 따라, 인공생물막 내에 미생물의 분포밀도를 일정하게 할 수 있으며, 미생물이 분포되지 않는 영역 이른바, 데드스페이스(dead space)를 최소화할 수 있게 된다.
또한, 인공생물막 내의 미생물 분포밀도가 일정함과 함께, 인공생물막 내의 데드스페이스가 최소화됨에 따라 미생물로의 기질전달률이 최대화되며, 이를 통해 오염물질 제거효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 평판형 몰드 및 몰드 덮개의 모식도.
도 3은 3차원 형상의 돌기부가 구비된 몰드 덮개의 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 적용된 연속흐름형 생물반응조(CSTR)의 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 적용된 관형흐름형 생물반응조(PFR)의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 적용된 회전원판형 생물반응조(RBC)의 구성도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리장치의 구성도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리장치의 질소제거효율을 나타낸 실험결과.
도 2는 평판형 몰드 및 몰드 덮개의 모식도.
도 3은 3차원 형상의 돌기부가 구비된 몰드 덮개의 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 적용된 연속흐름형 생물반응조(CSTR)의 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 적용된 관형흐름형 생물반응조(PFR)의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 적용된 회전원판형 생물반응조(RBC)의 구성도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리장치의 구성도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리장치의 질소제거효율을 나타낸 실험결과.
본 발명은 인공생물막을 평판 형태로 구성함과 함께 인공생물막의 두께를 최적화하여, 인공생물막 내의 미생물 분포밀도를 균일하게 유지시킴과 더불어 미생물이 존재하지 않는 영역(dead space)이 최소화되도록 하여 NH4 +, NO2 -, NO3 -, PO4 3-, 총질소, 총인, BOD(Biochemical oxygen demand), COD(Chemical oxygen demand), SS(Suspended Solids) 등의 기질이 인공생물막에 전달되는 효율을 증대시키는 기술을 제시한다. 또한, 평판형 인공생물막의 표면을 요철 등의 3차원 형태로 구성하여 인공생물막의 표면적을 최대화함으로써 미생물과 오염물질의 접촉효율을 향상시킬 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막 제조방법을 설명하면, 도 1에 도시한 바와 같이 미생물-겔 용액 제조단계(S101)(S102), 성형단계(S103), 경화단계(S104)(S105)로 이루어진다.
상기 미생물-겔 용액 제조단계는 다음과 같다.
먼저, 고분자 물질을 준비한다. 상기 고분자 물질은 최종 제조되는 평판형 인공생물막의 몸체 역할을 함과 함께 미생물을 고정화시키는 역할을 한다. 상기 고분자 물질로는 기계적 강도가 우수하고 미생물에 대한 독성도가 낮은 폴리비닐알코올(PVA, polyvinyl alcohol)을 이용할 수 있다. 상기 폴리비닐알코올(PVA) 이외에 폴리에틸렌글리콜(PEG, polyethylene glycol), 한천(agar), 알지네이트(alginate), K-carrageenan, 폴리아크릴아미드(PA, polyacrylamide), 키토산(chitosan), 겔라틴(gelatin), 콜라겐(collagen) 등의 다공성계 고분자물질을 이용하거나 폴리우레탄(polyurethane), 실리카 겔(silica gel), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오즈아세테이트(cellulose triacetate) 중 어느 하나를 이용할 수 있으며, 상술한 고분자 물질의 혼합물을 이용할 수도 있다.
상기 고분자 물질 일 실시예로, 폴리비닐알코올(PVA)을 증류수와 혼합하여 고분자 용액을 준비한다(S101). 이 때, 상기 고분자 용액은 증류수 100g 당량에 PVA 5∼25g을 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 고분자 용액이 준비된 상태에서, 상기 고분자 용액을 미생물과 혼합한다(S102). 상기 고분자 용액에 혼합되는 미생물은 미리 배양된 호기성 미생물 또는 혐기성 암모늄 산화미생물 등의 혐기성 미생물이거나, 호기성 미생물과 혐기성 미생물의 혼합일 수도 있다. 호기성 미생물은 수처리 과정에서 인을 섭취함과 함께 질산화 작용을 하며, 혐기성 미생물은 질산성 질소 또는 암모니아성 질소를 질소로 탈질하는 작용을 한다. 상기 고분자 용액과 미생물은 0.8∼1.2 : 1.2∼0.8의 부피비로 혼합한다. 이하의 설명에서, 상기 미생물이 혼합된 고분자 용액은 설명의 편의상 '미생물-겔 용액'이라 칭하기로 한다.
미생물이 혼합된 고분자 용액 즉, 미생물-겔 용액이 준비된 상태에서, 평판형 몰드(210) 내에 상기 미생물-겔 용액을 주입하여 평판 형상으로 성형한다(S103). 상기 미생물-겔 용액은 액상임에 따라, 액상의 미생물-겔 용액을 일정 형태로 성형하기 위해 평판형 몰드(210) 내에는 다공성 지지체(220)가 구비된다. 상기 평판형 몰드(210)는 일면이 개구된 직육면체 형상이며, 상기 다공성 지지체(220)로는 부직포, 섬유질 천 등이 이용될 수 있다. 또한, 상기 평판형 몰드(210)의 깊이를 필요에 따라 설계하여 평판형 인공생물막의 두께를 제어할 수 있으며, 이와 같은 방식으로 2∼10㎛ 두께의 평판형 인공생물막을 제조할 수 있다.
평판형 몰드(210) 내에 다공성 지지체(220)가 구비된 상태에서, 상기 미생물-겔 용액을 평판형 몰드(210) 내에 주입하면 미생물-겔 용액이 다공성 지지체(220) 내부에 침투, 확산되며, 최종적으로 다공성 지지체(220)의 내부에 미생물-겔 용액이 충진됨과 함께 다공성 지지체(220)의 표면에 일정 두께의 미생물-겔 용액이 구비된 형태로 성형된다. 다공성 지지체(220)와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물은 평판형 인공생물막의 기본 형태를 이루며, 후술하는 경화공정에 의해 평판형 인공생물막으로 완성된다.
한편, 다공성 지지체(220)와 미생물-겔 용액의 물리적 결합과 성형물(다공성 지지체(220)와 미생물-겔 용액의 결합물)에 기계적 강도를 부여하기 위해, 다공성 지지체(220)가 구비된 평판형 몰드(210) 내에 미생물-겔 용액을 주입한 후, 평판형 몰드(210)에 몰드 덮개(230)를 덮고 일정 압력으로 몰드 덮개(230)를 가압할 수 있다.
상기 몰드 덮개(230)는 판상 플레이트 형태이며, 성형물의 표면적 증대를 위해 상기 몰드 덮개(230)의 일면 상에 다양한 3차원 형상의 돌기부(231)가 구비될 수 있다. 상기 몰드 덮개(230) 상의 돌기부(231)는 일 실시예로, 입체 형상의 돌기패턴이 이격되어 반복 배치되는 형태로 이루어지거나 벌집 형태로 구성될 수도 있다.
3차원 형상의 돌기부(231)가 구비된 몰드 덮개(230)를 이용하여 성형물을 가압하는 경우, 성형물은 돌기부(231)에 의해 눌려지며 성형물의 표면은 돌기부(231)에 대응되는 형상을 갖게 된다. 성형물의 표면이 3차원 형상의 돌기부(231)에 대응되는 형태로 성형됨에 따라, 성형물의 표면적은 증대되며, 성형물의 표면적이 증대됨은 미생물과 오염물질의 접촉면적이 증가됨을 의미한다.
다공성 지지체(220)와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물이 완성된 상태에서, 상기 성형물에 대해 경화공정을 적용한다(S104). 상기 경화공정은 냉동과정과 해동과정으로 이루어지며, 냉동과정과 해동과정을 반복 실시하여 성형물 즉, 평판형 인공생물막의 기계적 강도를 증대시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 경화공정 중 냉동과정은 0∼80℃ 조건 하에서 30분∼24시간 동안 진행되며, 상기 해동과정은 0∼50℃ 조건 하에서 10분∼24시간 동안 진행된다.
다공성 지지체(220)와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물에 대한 경화공정을 통해 다공성 지지체(220) 내부 및 표면에 미생물-겔 용액 성분이 겔(gel) 형태로 경화되며, 평판형 인공생물막의 제조는 완료된다(S105).
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막 및 그 제조방법에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 적용된 수처리장치에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막은 전술한 바와 같이 호기성 미생물, 혐기성 미생물 중 어느 하나 또는 이들이 혼합된 미생물이 다공성 지지체(220) 고정된 평판 형상의 인공생물막으로서, 생물반응조 내에 구비되어 원수와 미생물의 생물학적 반응을 통해 원수의 질산화 또는 탈질을 유도한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막은 다양한 형태의 생물반응조에 장착될 수 있다. 일 실시예로, 연속흐름형 생물반응조(CSTR), 관형흐름형 생물반응조(PFR), 회전원판형 생물반응조(RBC) 등의 생물반응조 내에 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막이 장착될 수 있다. 도 4 내지 도 6은 각각 연속흐름형 생물반응조(CSTR), 관형흐름형 생물반응조(PFR), 회전원판형 생물반응조(RBC)에 평판형 인공생물막이 적용된 것을 도시한 것이다.
도 4 내지 도 6의 수처리장치를 설명하면, 원수와 평판형 인공생물막(100)에 의한 생물학적 반응 공간을 제공하는 생물반응조(10) 내에 평판형 인공생물막(100)이 구비되며, 상기 평판형 인공생물막(100)은 고정틀(11) 상에 거치된다. 도 6의 회전원판형 생물반응조(10)(RBC)의 경우, 생물반응조(10) 내에 회전축(16)이 구비되고, 상기 회전축(16) 상에 복수의 회전원판(17)이 이격되어 배치되며, 각각의 회전원판(17)의 일측에 평판형 인공생물막(100)이 구비되는 형태를 이룬다. 도 4 내지 도 6의 생물반응조(10)에 있어서, 생물반응조(10) 일측에는 원수유입구(12) 및 처리수배출구(13)가 구비되며, 혐기성 조건으로 운전되는 경우 바이오가스 배출을 위한 바이오가스 배출구(15)가 더 구비될 수 있다. 또한, 생물반응조(10)의 일측에 생물반응조(10) 내의 원수 성상을 모니터링하기 위한 센서(14)가 배치될 수도 있다.
한편, 생물반응조(10)의 용존산소농도를 정밀하게 제어할 수 있는 수처리장치의 구성도 가능하다. 도 7을 참조하면, 생물반응조(10)의 후단에 외부폭기조(20)를 구비시키는 구성을 통해 생물반응조(10)의 용존산소농도 제어가 가능하다. 구체적으로, 외부폭기조(20)는 외부의 산기장치(30)로부터 유입되는 산소에 의해 호기 조건이 유지되며, 외부폭기조(20)의 용존산소농도는 산기장치(30)로부터 공급되는 산소량 또는 공기량을 통해 조절된다. 이와 같은 상태에서, 평판형 인공생물막(100)이 구비된 생물반응조(10)의 처리수는 상기 외부폭기조(20)로 유입되어 처리되며, 외부폭기조(20)의 처리수 중 일부는 생물반응조(10)로 반송된다. 외부폭기조(20)의 처리수 내에 일정 농도의 용존산소가 존재함에 따라, 생물반응조(10)로 반송되는 외부폭기조(20)의 처리수의 양을 조절함으로써 생물반응조(10) 내의 용존산소농도를 제어할 수 있게 된다. 상기 생물반응조(10)는 연속흐름형 생물반응조(10)(CSTR), 관형흐름형 생물반응조(10)(PFR), 회전원판형 생물반응조(10)(RBC) 등으로 구성할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 인공생물막 및 그 제조방법 그리고 이를 이용한 수처리장치에 대해 설명하였다. 다음으로, 실험예를 통해 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
<실험예>
12.5w/v%의 PVA 수용액을 혐기성 암모늄 산화미생물이 배양되어 있는 미생물 배양액과 혼합한 후, 부직포가 구비된 평판형 몰드를 이용하여 성형하였다. 미생물 배양액의 미생물 농도는 3400mg/L의 VSS(volatile fatty acid)로 하였으며, 성형시 3차원 형상의 돌기부가 구비되지 않은 몰드 덮개를 이용하였다. 이어, 성형물을 -20℃ 하에서 23시간 동안 냉동시킨 후 상온에서 1시간 동안 해동하였으며, 동일 조건의 냉동과 해동을 3번 반복 실시하여 평판형 인공생물막을 완성하였다.
완성된 평판형 인공생물막을 연속흐름형 생물반응조(CSTR)에 장착하였으며, 생물반응조의 단위체적당 미생물 접종비율은 6%로 설정하였다. 이와 같은 상태에서, 생물반응조에 (NH4)2SO4와 NaNO2를 공급하여 평판형 인공생물막에 의한 질소제거효율을 측정하였다. 생물반응조의 pH는 6.5∼9.0의 범위에서 유지되도록 하였으며, 온도는 33∼37℃로 설정하였다. 또한, 생물반응조 내의 유입질소농도를 점진적으로 증가시켰으며, 총 230일간 운전하였다.
그 결과, 도 8을 참조하면, 초기운전 50일 이후부터 총 질소제거효율이 관찰되기 시작하였으며, 70일 시점부터는 75%의 총 질소제거효율이 나타났다. 유입질소농도를 점진적으로 증가시켜 최대 1.24kg/m3/d의 운전조건으로 운전된 상태의 경우 즉, 110일 시점 이후 최대 1.02kg/m3/d의 질소제거속도를 달성하였다.
10 : 생물반응조 11 : 고정틀
12 : 원수유입구 13 : 처리수배출구
14 : 센서 15 : 바이오가스 배출구
20 : 외부폭기조 30 : 산기장치
100 : 평판형 인공생물막 210 : 평판형 몰드
220 : 다공성 지지체 230 : 몰드 덮개
231 : 3차원 형상의 돌기부
12 : 원수유입구 13 : 처리수배출구
14 : 센서 15 : 바이오가스 배출구
20 : 외부폭기조 30 : 산기장치
100 : 평판형 인공생물막 210 : 평판형 몰드
220 : 다공성 지지체 230 : 몰드 덮개
231 : 3차원 형상의 돌기부
Claims (22)
- 고분자 물질과 증류수를 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계;
상기 고분자 용액과 미생물을 혼합하여 미생물-겔 용액을 제조하는 단계;
다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입하여, 다공성 지지체의 내부에 미생물-겔 용액이 충진됨과 함께 다공성 지지체의 표면에 미생물-겔 용액이 구비된 형태로 성형하는 단계; 및
다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 경화시켜 평판형 인공생물막을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 평판형 몰드는 일면이 개구된 직육면체 형태인 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입하여 성형하는 단계에서,
다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입한 다음, 상기 평판형 몰드에 몰드 덮개를 덮은 후, 몰드 덮개를 가압하여 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 성형하는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 몰드 덮개는 판상 플레이트 형태인 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 몰드 덮개의 일면 상에 3차원 형상의 돌기부가 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 3차원 형상의 돌기부는, 입체 형상의 돌기패턴이 이격되어 반복 배치되는 형태로 이루어지나 벌집 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물의 표면은 3차원 형상의 돌기부에 대응되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 경화시켜 평판형 인공생물막을 제조하는 단계는,
상기 다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 냉동시키는 과정과,
냉동된 성형물을 해동시키는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 성형물의 냉동 및 해동과정을 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리비닐알코올(PVA)인 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리에틸렌글리콜(PEG, polyethylene glycol), 한천(agar), 알지네이트(alginate), K-carrageenan, 폴리아크릴아미드(PA, polyacrylamide), 키토산(chitosan), 겔라틴(gelatin), 콜라겐(collagen), 폴리우레탄(polyurethane), 실리카 겔(silica gel), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오즈아세테이트(cellulose triacetate) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 용액에 혼합되는 미생물은 호기성 미생물, 혐기성 미생물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 지지체는 부직포 또는 섬유질 천인 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막 제조방법.
- 다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액이 주입된 상태에서, 몰드 덮개를 가압하여 성형된 것이며,
다공성 지지체의 내부 및 표면에 미생물-겔 용액 성분이 겔(gel) 형태로 경화된 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막.
- 제 14 항에 있어서, 상기 몰드 덮개의 일면 상에 3차원 형상의 돌기부가 구비되어, 상기 평판형 인공생물막의 표면이 3차원 형상의 돌기부에 대응되는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막.
- 미생물을 이용한 생물학적 반응을 통해 원수를 처리하는 생물반응조; 및
상기 생물반응조 내에 구비되며, 미생물이 고정화된 평판형 인공생물막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 평판형 인공생물막은 다공성 지지체의 내부 및 표면에 미생물-겔 용액 성분이 겔(gel) 형태로 경화된 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 평판형 인공생물막은,
고분자 물질과 증류수를 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계와,
상기 고분자 용액과 미생물을 혼합하여 미생물-겔 용액을 제조하는 단계와,
다공성 지지체가 구비된 평판형 몰드 내에 미생물-겔 용액을 주입하여, 다공성 지지체의 내부에 미생물-겔 용액이 충진됨과 함께 다공성 지지체의 표면에 미생물-겔 용액이 구비된 형태로 성형하는 단계와,
다공성 지지체와 미생물-겔 용액이 결합된 성형물을 경화시켜 평판형 인공생물막을 제조하는 단계를 통해 제조된 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 생물반응조는 연속흐름형 생물반응조(CSTR), 관형흐름형 생물반응조(PFR), 회전원판형 생물반응조(RBC) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치.
- 제 19 항에 있어서, 상기 평판형 인공생물막은 고정틀 상에 거치되는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치.
- 제 19 항에 있어서, 상기 생물반응조가 회전원판형 생물반응조(RBC)인 경우, 생물반응조 내에 회전축이 구비되고, 상기 회전축 상에 복수의 회전원판이 이격되어 배치되며, 각각의 회전원판의 일측에 평판형 인공생물막이 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 생물반응조의 후단에 외부폭기조가 더 구비되며,
상기 외부폭기조는 외부의 산기장치로부터 유입되는 산소에 의해 호기 조건이 유지되며, 외부폭기조의 용존산소농도는 산기장치로부터 공급되는 산소량 또는 공기량을 통해 조절되며,
생물반응조의 처리수는 상기 외부폭기조로 유입되어 처리되며, 외부폭기조의 처리수 중 일부는 생물반응조로 반송되어 생물반응조의 용존산소농도가 제어되는 것을 특징으로 하는 평판형 인공생물막을 이용한 수처리장치.
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| KR100989106B1 (ko) | 2010-01-08 | 2010-10-25 | 블루워터바이오코리아(주) | 침지형 회전식 미생물 접촉장치를 이용하는 하·폐수 처리 장치 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108217915A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-06-29 | 江西师范大学 | 用于污水处理的微生物电化学生物转盘 |
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