공간적으로 분리된 미생물군을 보유한 단일 격벽식 생물반응조의 운전방법{OPERATING METHOD OF SINGLE BAFFLED REACTOR CONTAINING PHYSICALLY SEPARATED MICROORGANISM}

본 발명은 공간적으로 분리된 두 종류의 미생물을 이용하여 오염물질을 동시에 처리 할 수 있는 단일 격벽식 생물반응조의 운전방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 격벽으로 물질대사 특성이 다른 두 종류의 미생물을 공간적으로 분리한 단일 격벽식 생물반응조에서 전자수용체인 무기이온을 두 종류 이상 함유한 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법에 관한 것이다.

국민생활 수준의 향상과 고도의 산업 발달에 따른 도시하수, 산업폐수 등에 의해 유발되는 환경 문제가 최근 들어 심각하게 대두되고 있다. 일반적으로 도시하수, 산업폐수 등에는 유기성 오염 물질 및 영양염류 물질이 다량 함유되어 있으며, 유기성 오염 물질을 제거하기 위해 표준활성 슬러지법 및 혐기성 소화공법 등이 주로 사용되고 있다. 이 방법 중 혐기성 소화공법이 적은 비용으로 폐수 처리가 가능하고, 대체에너지원인 메탄 등을 회수 할 수 있기 때문에 고농도 유기성 폐수처리에 주로 사용되고 있다.

혐기소화공법으로 유기성 산업폐수를 처리하기 위해 1983년에 처음 소개된 ABR(anaerobic baffled reactor)은 산형성균과 메탄형성균을 반응조 내에 공간적으로 분리하여 이상소화(two-phase anaerobic digestion) 시스템으로 운전할 수 있는 장점을 지니고 있다. 그러나, 이들은 단지 하나의 전자수용체을 가진 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로 두 종류 이상의 전자수용체를 함유한 폐수의 처리는 아직까지 성공된 사례가 없다.

고농도의 황산염을 다량 함유한 유기성 산업폐수를 혐기성 소화공정으로 처리하는 경우에는 일반적으로 황산염을 전자수용체로 이용하는 황산염환원균이 메탄형성균과 기질에 대해 경쟁을 하게 된다. 일반적으로 중온에서 반응조를 운전할 경우 황산염환원균이 메탄형성균 보다 동력학적 측면에서 훨씬 유리하기 때문에 대부분의 기질을 황산염환원균이 이용한다. 그러므로, 메탄형성균은 황산염환원 과정에서 형성되는 황화물에 의해 저해를 받고 이에 따라 회수 가능한 메탄가스 양이줄어들게 된다. 상기 문제점을 해결하기 위해, 황화물에 의한 독성을 저감하기 위한 수단으로 철과 같은 중금속을 인위적으로 투입하는 방법이 연구되었고(참조 : Dezham, P., Rosenblum, E., and Jenkins, D., "Digester Gas H ₂ S Control Using Iron Salts", Journal of Water Pollution Ccontrol Federation, Vol. 60, No. 4, pp. 514-517, 1988), 반응조 유출수의 황화수소를 탈기(srtipping)한 후 유입수로 반송하여 반응조 내의 황화수소 농도를 저감시키는 방안도 연구되었다(참조 : Yamaguchi, T., Harada, H., Hisano, T., Yamazaki, S., and Tseng, I., Process Behavior of UASB Reactor Treating Wastewater Containing High Strength Sulfate", Water Research, Vol. 33, No. 14, pp. 3182-3190, 1999).

그러나, 상기의 두 방법을 이용할 때 전자는 또 다른 오염원이 될 수 있는 중금속을 사용하는 문제점을 내포하고 있고, 후자는 공정을 한 단계를 더 추가해야 하므로 시설비 증가라는 경제적인 문제점이 부가된다.

한편, 이온교환공정은 수중에 존재하는 특정 양이온이나 음이온을 선택적으로 제거할 수 있기 때문에 널리 활용되고 있으며, 특히 질산염에 오염된 음용수용 지하수의 정수기술로 각광받고 있다. 보통 질산염 교환공정은 service(지하수 처리) → 역세척 → 재생 → 세정 → service와 같은 사이클(cycle)로 운전되는데, 재생과정에서는 고농도(3 내지 8%)의 소금(NaCl)이 재생액으로 사용된다. 이온교환능이 소모된 수지(resin)를 소금용액과 반응시키면 service 과정 동안에 수지에흡착된 음이온(황산염과 질산염 등)이 염소이온에 의해 교환되어 제거된다.

따라서, 재생과정에서 발생하는 재생폐액에는 고농도의 황산염과 질산염이 존재하며, 이 재생폐액을 적절히 처리하지 않고 방류할 경우에는 이차적인 지하수 오염이 유발되거나 방류수역의 부영양화를 초래하게 되므로, 폐액의 안전한 처리가 요구된다.

상기 이온교환공정에서 재생과정은 질산염 교환공정의 전체 운영비 가운데 절반 이상을 차지할 정도로 비용이 많이 소모되는데, 이는 재생액의 제조에 다량의 소금이 사용되기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 재생폐액을 생물학적으로 처리한 다음, 재생제로 재이용하는 방안이 연구되었다. USBR(upflow sludge blanket reactor) 형태의 반응조를 이용하여 재생폐액 내의 질산염을 탈질시킨 반 데 호크(van der Hoek)의 연구와 SBR(sequence batch reactor) 형태의 반응조를 이용하여 재생폐액을 처리하고 재이용한 클리포드(Clifford)와 리우(Liu)의 연구가 대표적인 사례이다(참조 : Clifford, DA, and Liu, X., "Ion exchange for Nitrate removal", J. AWWA , Vol. 27, No. 9, pp. 1477-1484, 1993). 그러나, 이들의 연구에서는 재생폐액 내의 질산염만이 제거되었을 뿐 황산염은 계속 축적되었으며, 그 결과 재생폐액을 재이용할 수 있는 횟수가 크게 제한되었다. 상기의 생물반응조에서 질산염만이 주도적으로 제거된 것은 전자수용체로 작용하는 질산염과 황산염이 동시에 존재할 경우 에너지 수율이 높은 질산염이 우선적으로 이용되기 때문이다.

따라서, 질산염과 황산염이 동시에 존재하는 재생폐액을 재이용하기 위해서는 질산염과 황산염을 각각 질소가스와 황화수소(H ₂ S) 형태로 환원시켜야 한다. 즉, 생물학적 탈질소 반응의 에너지 수율이 상대적으로 높기 때문에 각각의 미생물 군을 두 기의 반응조로 분리해서 처리하거나, 탄소원(전자공여체)을 과도하게 제공하여 단일 생물반응조 내에서 황산염환원반응이 충분히 진행되도록 해야 한다. 결국, 두 종류 이상의 전자수용체가 존재하는 폐수를 생물학적으로 정화하는 경우, 최소한 두 기의 반응조를 사용하거나 과다한 탄소원을 제공하여야 하는데, 이는 결국 건설비와 운영비를 증가시키게 된다.

따라서, 상기의 문제점을 해결하면서 보다 효율적인 처리방법 및 장치가 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 격벽으로 물질대사 특성이 다른 두 종류의 미생물을 공간적으로 분리한 단일 격벽식 생물반응조에서 전자수용체인 무기이온을 두 종류 이상 함유한 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 지하수 정수용 질산염 교환공정에서 발생하는 재생폐액의 처리를 위한 격벽식 생물반응조의 구성도.

도 2는 고농도 황산염을 함유한 유기폐수를 처리하기 위한 격벽식 반응조의 구성도.

도 3a와 3b는 질산염과 황산염을 함유한 이온교환공정 재생폐액을 탈질균과 황산염환원균이 분리된 단일 격벽식 반응조로 166일간 처리한 결과를 나타낸 그래프.

도 4a 와 4b는 고농도 황산염을 함유한 유기성폐수를 황산염환원균과 메탄형성균이 분리된 단일 격벽식 반응조로 338일간 처리한 결과를 나타낸 그래프.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 격벽식 생물반응조 11 : 제 1 공간부

12 : 제 2 공간부 13 : 전이부

14 : 헤드 스페이스(head space) 15 : 분배장치

16 : pH 센서(sensor) 17 : 배출 포트(port)

21 : 제 1 유입 라인 22 : 제 2 유입 라인

23 : 재순환 라인 24 : 제 1 재순환 라인

25 : 제 2 재순환 라인 26 : 유출수 라인

27 : 펌프 28 : 역지변(check valve)

31 : 제 1 공급조 32 : 제 2 공급조

33 : 제 1 가스배기구 34 : 제 2 가스배기구

35 : 포집장치 36 : 제 1 포집장치

37 : 제 2 포집장치 38 : pH 컨트롤러(controller)

41 : 모래여과장치 42 : 활성탄 흡착장치

43 : 재생액(처리수) 저류조 44 : 염분농도 측정장치

45 : 염분 저장조 46 : 이온교환공정으로 재생액 공급

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 격벽으로 물질대사 특성이 다른 두 종류의 미생물을 공간적으로 분리한 단일 격벽식 생물반응조에서 전자수용체인 무기이온을 함유한 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법을 제공한다.

보다 구체적으로 본 발명은, 복수개의 공간부와, 각각의 공간부의 사이에 위치하며, 웨어에 의해 직전의 공간부와 분리되고, 하부가 개방된 격벽에 의해 직후의 공간부와 분리되는 복수개의 전이부로 구성된 단일 격벽식 생물반응조를 이용하여, 에너지 수율이 높은 무기이온을 에너지원으로 사용하는 미생물 군을 순서대로 상기 공간부에 순차적으로 접종하여 각각의 공간부에서 우점종이 되도록 조성하고, 폐수를 연속적으로 주입하여 운전하는 것을 특징으로 하는 폐수의 생물학적 처리방법에 관한 것이다. 상기 공간부의 수는 필요에 따라 다양하게 정할 수 있다.

만일 처리해야할 전자수용체(무기이온)가 2 종류라면 1개의 전이부와, 전이부의 직전에 위치하는 제 1 공간부 및 전이부의 직후에 위치하는 제 2 공간부로 구성된 단일 격벽식 생물 반응조를 적용할 수 있다. 예를 들면, 질산염과 황산염을 함유하는 폐수의 처리를 위하여, 2개의 공간부를 갖는 반응조를 적용하고, 상기 제 1 공간부에는 탈질균을, 상기 제 2 공간부에는 황산염환원균을 각각 접종하여 폐수를 주입하며 운전할 수 있다. 이때, 제 1 공간부에서의 반응에 따라 pH가 변화하므로 제 2 공간부에는 pH 제어장치를 설치하는 것이 좋다. 또 다른 예로, 황산염을 함유하는 유기폐수의 처리를 위하여, 상기 제 1 공간부에는 황산염환원균을, 제 2 공간부에는 메탄형성균을 각각 접종하여 폐수를 처리할 수 있다.

본 발명에서는 폐수 처리를 위한 효율을 증대시키기 위해 상기 각각의 공간부 전체 또는 일부에 미생물의 생장을 위해 탄소원(에탄올 혹은 메탄올), 미량원소, 그리고 pH 조절제 등을 첨가하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 적용되는 격벽식 생물반응조의 각 공간부의 상부에서는 폐수처리에 따라 다양한 유형의 가스가 발생할 수 있다. 따라서 발생하는 기체를 안전하게 포집하고 배출할 수 있는 장치가 추가로 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 단일 격벽식 생물반응조는 (ⅰ) 전단과 후단에 각기 다른 미생물 군이 우점적으로 존재하는 혐기성 단일 격벽식 생물반응조: (ⅱ) 폐수공급 펌프(feeding pump)와 같은 부대장비: (ⅲ) 각 단계별 처리효율을 증가시키기 위해 적용되는 재순환 라인(recycle line)을 포함한다.

상기와 같은 공정을 수행하기에 적합한 시스템은 본 발명에서 설명한 단일 격벽식 생물반응조 뿐만 아니라, 종래 개별적으로 알려진 혐기성 격벽식 생물반응조(anaerobic baffled reactor), 펌프, 배관 및 관련 식종 미생물 등을 활용하여 제작이 가능하다. 질산염 교환공정에서 발생하는 재생폐액의 처리를 위한 본 발명의 단일 격벽식 생물반응조는 비교적 소규모 지하수 처리용 이온교환수지의 재생에 활용될 수 있으며, 지하수 처리 시스템에 추가되어 고정·설치가 가능하다. 또한, 추가적인 고정비용 절감을 위해서 차량에 설치한 뒤 필요한 장소로 이동하여 운전하는 것도 가능하다.

방법 1 : 단일 격벽식 생물반응조를 이용한 질산염 교환공정 재생폐액의 처리방법

두 종류 이상의 전자수용체가 존재하는 질산염 교환공정 재생폐액을 처리하는 방법에 관한 것이다.

상기의 폐액을 처리하기 위해 기존의 생물 반응조를 사용하지 않고, 본 발명을 위해 직접 제작한 단일 격벽식 생물 반응조를 사용한다. 단일 반응조(10)를 제 1 공간부(11)와 제 2 공간부(12)로 격벽을 두어 나누고, 중앙에 전이부(13)를 두어 두 공간부 내의 균들이 서로 섞이지 않도록 한다. 그리고, 반응조 상단에 진공 상태의 헤드 스페이스(head space)(14) 부분을 두어 공간부와 공기가 직접 접촉하지 않도록 한다.

제 1 공간부(11)에는 하수처리장 활성슬러지조에서 채취한 하수슬러지 일정량(4ℓ)을 식종하고, 제 2 공간부에(12)는 하수처리장에서 채취한 소화슬러지를 일정량(4ℓ) 식종한다.

황산염과 질산염이 함유된 이온교환공정 재생폐액에 탄소원으로 에탄올을 첨가하고, 미생물의 성장에 필요한 미량원소(암모니아성 질소, 인, 칼슘 등)을 첨가한다. 탄소원인 에탄올과 각 미량원소의 투입량은 문헌에 보고된 정보에 근거하여 계산한다(참조 : Van der Hoek, JP, Latour, PJM, and Klapwijk, A., “Denitrification with Methanol on the Presence of High Salt Concentration and High pH Levels”, Appl. Microbiol. Biotechnol. , Vol. 27, pp. 199-205, 1987). 이와 같이 제조된 기질(substrate)을 제 1 공급조(31)에 저류시켜 놓고, 생물반응조 운전시 제 1 공간부(11)로 유입되게 하여 시스템을 운전한다.

제 1 공간부(11)에서 질산염이 제거되면 수중의 pH가 증가하기 때문에 황산염환원부의 pH를 적정한 범위(pH 6.5 내지 8.5정도)로 유지하여야 한다. 따라서,전이부(13) 상단과 제 2 공간부(12) 상단에 pH 센서(16)를 설치하고 pH 컨트롤러(38)를 사용하여 모니터링한다. 전이부(13) 중간 위치에 pH 조정액을 주입할 수 있도록 제 2 공급조(32)에는 pH 조정액을 저류하고, 제 2 유입라인(22)에 pH 조정액이 흐를 수 있도록 설치하여 pH 조절을 자동화하는 것이 바람직하다.

전이부(13)를 지난 폐액은 최종적으로 제 2 공간부(12)로 유입되고, 황산염환원균에 의해 황산염이 황화수소로 환원된다. 황화수소는 제 2 가스배기구(34)를 통해 배기된 다음, 포집장치(35)에 포집된다. 제 2 공간부(12)의 황산염 제거효율을 증가시키기 위하여 유출수를 재순환 라인(23)을 통하여 재순환시킬 수도 있다.

이 외에 각각의 공간부 및 장치들이 서로 연결되어 폐수가 통과할 수 있도록 라인을 설치하고, 폐수 처리시 발생되는 질소가스 및 황화수소를 처리하기 위한 가스배기구 및 포집장치를 설치한다(도 1).

상기와 같은 반응조에서 처리된 후 방출되는 최종 유출수는 그대로 배출할 수도 있고, 이온교환수지의 재생액으로 재이용하기 위해 다음과 같은 장치를 통하여 한번 더 처리할 수도 있다. 즉, 제 2 공간부(12) 유출수를 모래여과장치(41), 활성탄 흡착장치(42) 순으로 통과시켜 남아있는 불순물을 추가로 제거할 수 있다.

한편, 재생액 또는 추가로 불순물이 제거된 재생액에 대해서는, 염분농도 측정장치(44)로 재생액의 염분농도를 측정하고, 필요하다면 염분저장조(45)로부터 소금을 보충하여 적정한 농도(3 내지 8 %)가 되도록 한 다음, 이온교환수지 재생액으로 재사용할 수 있다.

상기 후처리 공정은 본 발명자들이 출원한 특허(출원번호 10-2000-0023180, “이온교환수지 재생 폐액의 재생처리방법”)방법을 사용한 것이다.

방법 2 : 단일 혐기성 격벽식 생물반응조를 이용한 황산염 폐수의 처리방법

고농도 황산염을 다량 함유한 유기폐수를 황산염환원균(sulfate reducing bacteria, SRB)과 메탄형성균(methane producing bacteria, MPB)이 공간적으로 분리된 단일 격벽식 생물반응조(10)를 이용하여 처리하는 방법에 관한 것이다.

방법 1에서 사용한 것과 동일한 생물반응조(10)를 사용한다.

제 1 공간부(11)에서 황산염환원균에 의해 황산염(SO ₄ ^2- )이 황화수소(H ₂ S)로 환원되고, 제 1 포집장치(36)를 거친 후 제 1 가스배기구(33)에서 배기된다. 황산염 제거율을 향상시키기 위하여 전이부(13) 상단에서 제 1 공간부(11) 유출수를 제 1 재순환 라인(24)을 통하여 재순환시킬 수도 있다.

제 1 공간부(11)에서 황산염이 제거된 폐수는 전이부(13)를 통과하여 제 2 공간부(12)로 유입된다. 메탄형성균의 활성을 증가시키기 위하여 제 2 공간부(12) 유출수를 제 2 재순환 라인(25)을 통하여 재순환시키거나, 별도의 유기폐수를 제 2 공급조(32)로부터 주입할 수도 있다. 제 2 공간부(12)에서 생성되는 메탄가스(CH ₄ )는 제 2 가스배기구(34)를 통하여 배출된 다음, 제 2 포집장치(37)에서 포집된다.

단일 격벽식 생물반응조(10)를 통하여 정화된 최종 유출수는 방법 1의 최종유출수 후속처리와 동일한 방법으로 처리하여 방류할 수도 있다.

상기 반응조에 하수 소화슬러지(10000 내지 12000㎎ MLVSS/ℓ) 일정량(3 내지 4ℓ)를 제 1 공간부(11)와 제 2 공간부(12)에 식종한다. 일반적으로 소화슬러지에는 다량의 메탄형성균과 황산염환원균이 존재하기 때문에 소화슬러지를 각 공간부의 식종미생물로 사용해도 무방하다. 제 1 공급조(31)에 저류된 황산염 함유 유기폐수를 적절한 유속으로 제 1 유입 라인(21)을 통해 제 1 공간부(11)로 주입하면서 시스템을 운전한다.

이하, 실시 예를 통하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시 예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 국한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1 : 단일 격벽식 반응조를 이용한 질산염 교환공정 재생폐액의 처리방법

단일 격벽식 생물반응조를 이용하여 두 종류 이상의 전자수용체가 존재하는 질산염 교환공정 재생폐액을 처리하였다.

상기의 폐액을 처리하기 위해 기존의 생물 반응조를 사용하지 않고, 본 발명을 위해 직접 제작한 단일 격벽식 생물 반응조를 사용하였다. 단일 반응조를 제 1 공간부(이하, 본 실험에서는 탈질부라 함)와 제 2 공간부(이하, 본 실험에서는 황산염환원부)로 격벽을 두어 나누고, 중앙에 전이부를 두어 두 공간부 내의 균들이 서로 섞이지 않도록 하였다. 그리고, 반응조 상단에 헤드 스페이스(head space) 부분을 두어 각 공간부에서 발생하는 바이오가스(bio-gas)가 서로 섞이지 않도록 하였다. 탈질부 및 황산염환원부의 유효용량은 각각 5ℓ, 전이부의 유효용량은 4ℓ, 헤드 스페이스는 3ℓ가 되도록 하였다. 탈질부에는 대전시 하수처리장 활성슬러지조에서 채취한 하수슬러지 4ℓ를 식종하고, 황산염환원부에는 하수처리장에서 채취한 소화슬러지를 4ℓ 식종하였다.

황산염과 질산염이 함유된 이온교환공정 재생폐액에 에탄올과 미량원소를 첨가하여 제조한 기질을 제 1 공급조에 저류시켜 놓고, 생물반응조 운전시 탈질부로 유입되게 하였다. 생물반응조는 166일간 총 9단계로 부하(loading rate)를 변화시키면서 25℃에서 운전하였다.

상기 반응조를 보다 효율적으로 운전하기 위해 다음과 같은 부대장치를 설치하였다.

전이부 상단과 황산염환원부 상단에 pH 센서를 설치하여 탈질부에서 질산염 제거에 의한 수중의 pH 증가를 확인하였고, pH가 적정한 범위(pH 8.5정도)를 넘지 않도록 pH 컨트롤러를 사용하여 모니터링하였다. 또한, 전이부 중간 위치에 pH 조정액을 주입하기 위해서 제 2 공급조에 pH 조정액을 저류하고, 제 2 유입라인에 pH조정액이 흐를 수 있도록 하여 pH 조절을 자동화하였다.

이 외에 각각의 공간부 및 장치들이 서로 연결되어 폐수가 통과할 수 있도록 라인을 설치하였고, 폐수 처리시 발생되는 질소가스 및 황화수소를 포집하기 위한 가스배기구 및 포집장치를 설치하였다(도 1).

재생폐액내의 질산염은 탈질부에서 탈질소 반응(NO ₃ ^- → NO ₂ ^- → N ₂ )에 의해 질소가스로 환원되고, 질산염이 처리된 폐액은 전이부를 거쳐 황산염환원부로 흘러간다. 이때, 발생된 질소가스는 제 1 가스배기구를 통해 배출된다. 이로 인해, 재생폐액 내의 용존산소와 산화환원전위(oxidation-reduction potential)가 감소되어 황산염환원균에 유리하게 작용한다. 황산염환원부에서는 황산염환원 반응(SO ₄ ^2- → H ₂ S)에 의해 황산염이 황화수소로 환원되고, 황화수소는 제 2 가스배기구를 통해 배출되고 포집장치에서 포집된다. 이렇게 처리된 재생폐액은 유출수 라인을 통해 다시 황산염 환원부를 통과하도록 하여 황산염의 제거 효율을 높였다.

상기와 같은 조건으로 재생폐액을 처리하기 위해 생물반응조를 166일 동안 운전한 조건을 표 1에 정리하였다. 전이부 상단에서 탈질부 유출수의 질산염 농도를 측정하였고, 황산염환원부 상단에서 황산염환원부 유출수의 황산염 농도를 측정하였다.

총 9단계로 연속적으로 운전하였으며, 단계별로 유속과 유입수 농도를 다르게 하였다.

1단계(운전 1 내지 19일)에서는 질산염부하를 1.9 g NO ₃ ^- -N/ℓ·day로 운전하였고, 계속해서 단계적으로 부하를 증가키면서 탈질율과 COD 제거율을 모니터링하였다. 황산염환원부의 초기 황산염부하는 0.7 g SO ₄ ^2- /ℓ·day이었으며, 탈질부와 동일한 시기에 부하를 변경하였다. 이와 같은 운전방법으로 탈질부의 경우 9단계에서 최대 질산염부하 5.4 g NO ₃ ^- -N/ℓ·day가 적용되었으며, 황산염황원부에서는 6단계에서 최대 황산염부하 3.5 g SO ₄ ^2- /ℓ·day가 적용되었다.

본 실험 방법에 의한 재생폐액 처리결과를 살펴보면 다음과 같다.

도 3a에서 보는 바와 같이 1단계에서는 식종미생물이 기질에 완전히 적응되지 않아 탈질부의 질산염 제거율(탈질율)이 70% 정도에 불과하였지만, 2단계부터는 탈질부에서 질산염 제거율이 90%로 유지되었다. 최대 질산염부하 5.4 NO ₃ ^- -N/ℓ·day가 적용된 9단에서는 질산염 제거율이 96%까지 증가되었다. 도 3b의 원수와 탈질부 유출수의 황산염농도를 비교하면, 탈질부에서는 황산염화원반응이 주도적으로 진행되지 않았음을 알 수 있다.

한편, 도 3b의 황산염환원부를 보면, 2단계까지는 황산염환원율이 저조하였으나, 3단계부터는 황산염환원반응이 주도적으로 진행되어 50% 이상의 황산염환원율을 달성하였다.

이상과 같은 결과에서 볼 수 있듯이 탈질균과 황산염환원균을 공간적으로 분리한 단일 격벽식 생물반응조를 사용하여 이온교환수지 재생폐액을 처리한 결과, 폐액내의 질산염과 황산염을 높은 효율(각각 90% 및 50% 이상)로 효과적으로 처리할 수 있음을 알 수 있었다.

실시예 2: 단일 혐기성 격벽식 생물반응조를 이용한 황산염 폐수의 처리방법

단일 격벽식 생물반응조를 이용하여 고농도의 황산염이 함유된 폐수를 처리하였다.

상기의 폐액을 처리하기 위해 실시예 1과 동일한 생물반응조를 사용하였다.

단, pH를 조절할 필요가 없기 때문에 pH 센서, 컨트롤러를 제거하였다(도 2).

제 1 공간부(이하, 본 실험에서는 황산염환원부라 함)에서 폐수가 유입되면 황산염환원 반응(SO ₄ ^2- → H ₂ S)에 의해 황산염이 황화수소로 환원되었다. 황화수소는 제 1 가스배기구를 통해 배출된 후 포집장치에서 포집되었다. 이렇게 처리된 재생폐액을 유출수 라인을 통해 다시 황산염 환원부를 통과시켜 황산염의 제거 효율을 높였다.

황산염이 제거된 유출수는 전이부를 거쳐 제 2 공간부(이하, 본 실험에서는 메탄형성부라 함)로 유입되고, 메탄형성균에 의해 메탄가스가 생성되었다. 메탄가스는 제 2 가스배기구를 통해 배출 된 후 제 2 포집장치에서 포집되었다.

대전시 하수처리장 하수 소화슬러지(11,100㎎ MLVSS/ℓ) 3.5ℓ를 황산염환원부(2)에 식종하였으며, 동일한 소화슬러지를 메탄형성부(4)에 5ℓ 식종하였다. 공업용 포도당과 Na ₂ SO ₄ 를 이용하여 인공폐수를 만들고, 338일간 총 8단계로 부하(loading rate)를 변경하면서 각 공간부에서의 COD 및 황산염(SO ₄ ^2- ) 제거율을 모니터링하였다.

상기와 같은 조건으로 인공적으로 제조한 황산염 함유 유기폐수를 이용하여 생물반응조를 338일간 운전한 조건을 표 2에 정리하였다. 전이부 상단에서 황산염환원부 유출수의 황산염 농도 및 COD 농도를 측정하였고, 메탄형성부 상단에서 메탄형성부 유출수의 황산염 농도 및 COD 농도를 측정하였다.

제 1단계 황산염환원부의 COD:SO ₄ ^2- 의 비는 0.9:0.8로, 메탄형성부의 COD:SO ₄ ^2- 의 비는 0.6:0.5로 운전을 시작하였다. 성장속도가 상대적으로 느리고 환경변화에 더 민감한 메탄형성균의 활성을 증가시키기 위하여 제 2단계까지는 메탄형성부의 처리수를 재순환하였다. 또한, 3단계 이후에는 메탄형성부에 공업용 포도당으로 제조한 별도의 기질을 추가로 주입하여 COD 부하를 증가시켰다. 최종 8 단계에서 메탄형성부에 적용된 COD 제적부하는 8.2 g COD/ℓ·d에 달하였다.

본 실험 방법에 의한 고농도의 황산염이 함유된 폐수의 처리결과를 살펴보면 다음과 같다.

도 4a와 4b를 보면, 운전 초기(운전 70일 중반까지)에는 황산염환원부 유출수의 COD와 SO ₄ ^2- 농도가 상대적으로 높게 유지되었으나, 이후부터는 황산염환원부의 COD 및 SO ₄ ^2- 제거율이 매우 양호한 수준을 보였다. 원수에 존재하던 황산염의 대부분은 황산염환원부에서 제거되었다. 메탄형성부의 경우에는 별도의 기질공급으로 인해 최대 8.2 g COD/ℓ·d의 부하가 적용되었음에도 불구하고 유출수의 COD 농도가 250㎎/ℓ 미만으로 유지되었다. 이는 메탄형성부에 존재하는 메탄형성균이 황산염환원반응의 최종 생성물인 황화수소(H ₂ S)의 독성에 거의 영향을 받지 않았기 때문인 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 미생물 군이 공간적으로 분리되지 않은 여타의 단일 반응조로는 달성하기 불가능한 결과이다.

따라서, 본 발명에서 개발한 처리공정은 본 발명에서 예를 든 폐수와 같이 다중 오염물질을 함유한 폐수처리에 매우 효과적일 것으로 보여진다.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이 본 발명은 격벽으로 물질대사 특성이 다른 두 종류의 미생물을 공간적으로 분리한 단일 격벽식 생물반응조에서 전자수용체인 무기이온을 다수 함유한 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법에 관한 것이다.

상기 단일 격벽식 생물반응조를 이용함으로써 질산염에 오염된 지하수를 처리하는 기존의 이온교환공정을 보완하여 이온교환수지의 재생에 소모되는 소금 사용량을 혁신적으로 절감하고 폐기되는 폐액 발생량을 줄일 수 있다. 또한, 고농도 황산염을 함유하는 각종 유기성폐수를 혐기성 소화공정으로 처리하는 경우 공정의 안정성을 제고하는데 크게 도움이 되었다.

따라서, 본 발명에 의한 방법을 적용한다면 기존에 운영중인 이온교환공정의 운영비를 크게 절감할 수 있으며, 질산성 질소에 오염된 소규모 간이상수도시설을 이용하는 농어촌지역 주민의 건강증진과 복지향상에 크게 기여할 수 있을 것이다.