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KR101792604B1 - 미세 입자 분리 장치 - Google Patents

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KR101792604B1
KR101792604B1 KR1020160117414A KR20160117414A KR101792604B1 KR 101792604 B1 KR101792604 B1 KR 101792604B1 KR 1020160117414 A KR1020160117414 A KR 1020160117414A KR 20160117414 A KR20160117414 A KR 20160117414A KR 101792604 B1 KR101792604 B1 KR 101792604B1
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KR
South Korea
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flow path
bioreactor
bacteria
filter
effluent
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KR1020160117414A
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English (en)
Inventor
정진영
이병준
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영남대학교 산학협력단
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Publication date
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Priority to US16/089,298 priority patent/US11052429B2/en
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Abstract

본 발명은 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 저장된 생물 반응조, 상기 생물 반응조 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로, 상기 제1 유로에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부가 실장된 제1 필터부, 상기 제1 필터부를 통과한 유출수가 유입되는 제2 유로, 상기 제2 유로에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로, 상기 제2 유로의 일 측에서 연결되고, 상기 제1 필터부의 상기 제2 유로가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 생물 반응조로 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로, 상기 제4 유로에 의해 배출되는 유출수가 상기 제1 필터부를 통과하여 상기 생물 반응조로 이동되도록 하는 제5 유로, 및 상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프를 포함하고, 상기 제1 메쉬부는 상기 제1 필터부에 회전 가능하게 장착된, 미세 입자 분리 장치를 제공한다.

Description

미세 입자 분리 장치{MICRO PARTICLE SEPARATOR}
본 발명은 미세 입자 분리 장치에 관한 것으로, 생물 반응조 내 입자 크기별로 존재하는 다양한 종의 미생물 중 특정 미생물을 선택적으로 분리하고 이를 외부로 배출하는 미세 입자 분리 장치에 관한 것이다.
다양한 친환경적인 공법이 적용되는 오늘날의 산업 현장에서, 폐수 처리 문제는 여전히 해결 과제로 남아 있다.
특히, 질소제거는, 물리 화학적 방법인 탈기, 암모니아화(ammonification)와 생물학적 방법인 질산화, 탈질화, 식생에 의한 흡수 및 흡착 등 다양한 경로로 질소가 제거되나 일반적으로 생물학적 질산화-탈질화 공정이 질소제거 공정에 있어서 가장 널리 사용되고 있다.
1990년대에 들어 질소제거 공정으로, 혐기성 암모늄 산화 (anammox, anaerobic ammonium oxidation) 경로가 소개되었으며, 최근에는 전처리 과정인 부분 아질산화 (partial nitritation)와 함께 탈암모니아(deammonification) 공정으로 명명되어, 2015년 기준 약 100여 개 이상의 full-scale deammonification 공정이 보고되었다. 실제 설치되어 운전되고 있는 Full-scale deammonification 공정은 약 50% 이상이 연속 회분식 반응기(sequencing batch reactor, SBR) 공법을 근간으로 단일 반응조에서 아질산화와 혐기성 암모늄 산화 반응이 동시에 구현되고 있으며, 아질산화 반응에 의해 생성되는 부산물인 질산염을 추가적으로 제거하기 위한 종속영양 탈질 (heterotrophic denitrification) 반응이 함께 수행된다.
하기 반응식 1 내지 3은 각각 단일 반응조에서 부분 아질산화, 혐기성 암모늄 산화, 종속영양 탈질 반응이 수행되는 질소 제거 경로를 나타낸 것이다.
[반응식 1]
NH4 + + 0.75O2 + HCO3 - → 0.5NH4 + + 0.5NO2 - + 1.5H2O + CO2
[반응식 2]
NH4 + + 1.32NO2 - + 0.066HCO3 - + 0.13H+
→ 0.26NO3 - + 1.02N2 + 0.066CH2O0 . 5N0 .15 + 2.03H2O
[반응식 3]
0.26NO3 - + 0.22H3OH + 0.04CO2 → 0.13N2 + 0.26HCO3 - + 0.3H2O
상기 단일 반응조의 탈암모니아 공정은 부분 아질산화 반응과 혐기성 암모늄 산화 반응이 우점화 되고, 종속영양 탈질 반응은 상기 반응식 2를 통해 생성되는 부산물인 NO3 -를 추가적으로 제거하기 위한 부수적 반응 수준에서 머무르는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 반응식 1에 관여하는 혐기성 암모늄 산화균은 증식속도(배가시간: 약 11일)와 균체수율(0.13g-dry weight / g-NH4-N)이 다른 미생물에 비해 극히 낮으므로, 혐기성 암모늄 산화균이 반응조 내에서 우점화되지 않는 경우 상기 반응식 2를 통해 제거 되어야 할 NO2 -는 하기 반응식 4에서 나타낸 바와 같이 성장속도가 보다 빠른 종속영양 탈질 반응에 의해 소모되는 결과가 발생하고, 그 결과 단일 반응조에서의 질소 제거가 원활하게 수행되지 못할 수 있다.
[반응식 4]
6NO2 - + 3CH3OH + 3CO2 → 3N2 + 6HCO3 - + 3H2O
또한, 하기 반응식 5에 나타낸 바와 같이 종속영양 탈질 반응과 함께 질산화 반응 (nitrification)은 혐기성 암모늄 산화반응과 NO2 -에 대한 기질 경쟁 관계에 있으므로, 부분 아질산화 반응이 아닌 질산화 반응을 유도하는 질산화균은 반응조로부터 지속적으로 제거될 필요가 있다.
[반응식 5]
NO2 - + 0.5O2 → NO3 -
한편, 혐기성 암모늄 산화균은 산소에 대한 저항성이 낮으므로 보통 혐기성 암모늄 산화균은 아질산화균에 의해 형성된 막의 내부에 존재하며, 그 결과 혐기성 암모늄 산화균은 입상(granule) 형태로 존재할 수 있다.
종래에는 폐수 처리 장치 내에서 혐기성 암모늄 산화균과 종속영양 탈질균을 분리시키기 위해 하이드로 사이클론 장치가 많이 사용되었다. 그러나, 상기 하이드로 사이클론 장치는 유체 내에서 저항성 또는 중량의 차이가 뚜렷하게 구분되지 않는 혐기성 암모늄 산화균 및 종속영양 탈질균의 분리 효율이 매우 낮을 뿐 아니라, 작동 조건이 고정되어, 산업 설비로 적용하기가 까다롭다는 문제가 있었다.
따라서, 다수 종이 혼재하는 단일 반응조의 탈암모니아 공정에서 혐기성 암모늄 산화균, 구체적으로는 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태 미생물의 분리 및 농축을 위해 종속영양 탈질균과 질산화균을 분리하여 생물 반응조 외부로 배출함으로써 질소 제거 효율을 향상시킬 수 있는 장치가 필요하다.
본 발명은 단일 반응조내 존재하는 혼재하는 입상 미생물의 크기 차이를 근간으로, 선택적으로 미생물을 분리 및 배출 또는 분리 및 농축하기 위한 미세 입자 분리 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 혼재하는 생물 반응조, 상기 생물 반응조 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로, 상기 제1 유로에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부가 실장된 제1 필터부, 상기 제1 필터부를 통과한 유출수가 유입되는 제2 유로, 상기 제2 유로에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로, 상기 제2 유로의 일 측에서 연결되고, 상기 제1 필터부의 상기 제2 유로가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로, 상기 제4 유로에 의해 배출되는 유출수가 상기 제1 필터부를 통과하여 상기 생물 반응조로 이동되도록 하는 제5 유로, 및 상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프를 포함하고, 상기 제1 메쉬부는 상기 제1 필터부에 회전 가능하게 장착된, 미세 입자 분리 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 혼재하는 생물 반응조, 상기 생물 반응조 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로, 상기 제1 유로에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부 및 상기 제1 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체가 실장된 제4 필터부, 상기 제4 필터부를 통과한 유출수를 외부로 배출하는 제2 유로, 상기 제2 유로에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로, 상기 제2 유로의 일 측에서 연결되고, 상기 제4 필터부의 상기 제2 유로가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로, 상기 제4 유로에 의해 배출되는 유출수가 상기 제4 필터부를 통과하여 상기 생물 반응조로 이동되도록 하는 제5 유로, 및 상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프를 포함하고, 상기 블레이드 조립체는 회전하는 블레이드를 구비하는, 미세 입자 분리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치는 필터에 실장된 제1 메쉬부 구멍에 의해 혐기성 암모늄 산화균이 연속 공정으로 분리 및 농축되며, 종속영양 탈질균이 연속 공정으로 생물 반응조로부터 분리 및 배출됨으로써 질소 제거 반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치는 제2 및/또는 제3 메쉬부가 더 설치되어 생물반응조로부터 배출된 유출수 내의 종속영양 탈질균이 다시 생물 반응조로 유입되지 않도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 필터부를 도시한 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하우징을 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치를 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 제4 필터부를 도시한 분해 사시도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 생물 반응조를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 생물 반응조의 운전 제어 방법을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 미생물의 체거름(sieving) 공정을 단계별로 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 생물 반응조 내 입상 미생물의 크기별 분포를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 생물 반응조 내 입상 미생물의 크기 분포에 따른 혐기성 암모늄 산화균과 종속영양 탈질균의 활성도 변화 정도를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 생물 반응조 내 입상 미생물의 크기 분포에 따른 질산화균과 아질산화균의 활성도 변화 정도를 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 체거름 구멍의 크기에 따라 누적된 미생물의 활성도를 나타낸 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.
복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에서 사용된 용어 “유출수”는 특정 유로를 통과하는 것으로 한정되지 않고, 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 혼재하는 생물 반응조와 연결된 제1 유로(11), 제2 유로(12), 제3 유로(13), 제4 유로(14), 및 제5 유로(15)를 통과하는 유체를 모두 지칭할 수 있다.
이하, 상기한 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 저장된 생물 반응조; 상기 생물 반응조 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로; 상기 제1 유로에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부가 실장된 제1 필터부; 상기 제1 필터부를 통과한 유출수가 유입되는 제2 유로; 상기 제2 유로에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로; 상기 제2 유로의 일 측에서 연결되고, 상기 제1 필터부의 상기 제2 유로가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 생물 반응조로 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로; 상기 제4 유로에 의해 배출되는 유출수가 상기 제1 필터부를 통과하여 상기 생물 반응조로 이동되도록 하는 제5 유로; 및 상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프;를 포함하고, 상기 제1 메쉬부는 상기 제1 필터부에 회전 가능하게 장착된, 미세 입자 분리 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 저장된 생물 반응조; 상기 생물 반응조 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로; 상기 제1 유로에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부 및 상기 제1 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체가 실장된 제4 필터부; 상기 제4 필터부를 통과한 유출수를 외부로 배출하는 제2 유로; 상기 제2 유로에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로; 상기 제2 유로의 일 측에서 연결되고, 상기 제4 필터부의 상기 제2 유로가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 생물 반응조 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로; 상기 제4 유로에 의해 배출되는 유출수가 상기 제4 필터부를 통과하여 상기 생물 반응조로 이동되도록 하는 제5 유로; 및 상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프;를 포함하고, 상기 블레이드 조립체는 회전하는 블레이드를 구비하는, 미세 입자 분리 장치가 제공된다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제1 메쉬부 구멍의 직경은 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 블레이드 조립체는 상기 블레이드의 일측에 부착된 청소솔를 구비하며, 상기 청소솔은 상기 블레이드의 회전시 상기 제1 메쉬부의 일측면에 접촉하면서 회전할 수 있다.
한편, 상기 제1 필터부 또는 제4 필터부의 일 측에서 연결되는 상기 제1 유로 연결구의 면적은 상기 제1 필터부 또는 제4 필터부의 일 측에서 연결되는 상기 제4 유로 연결구의 면적 보다 클 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제2 유로는 상기 제1 펌프와 접촉할 수 있다.
또한, 상기 제4 유로가 상기 제1 필터부 또는 제4 필터부를 통과하기 전에 접촉하도록 배치된 제2 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제5 유로가 상기 생물 반응조 연결되기 전에 접촉하도록 배치된 제3 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 유로에서 배출된 유출수가 저장되는 저류조를 더 포함하고, 상기 저류조부터 유출수가 상기 제4 유로를 통해 상기 생물 반응조로 유입되며, 상기 제3 유로를 통해 상기 미세 입자 분리 장치 외부로 배출될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 입상 미생물은 혐기성 암모늄 산화균과 종속영양 탈질균, 아질산화균, 및 질산화균으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기 혐기성 암모늄 산화균은 100 ㎛ 이상의 입상 형태일 수 있고, 상기 종속영양 탈질균 및 질산화균은 100 ㎛ 미만일 수 있다.
한편, 상기 제2 유로는 샘플채취용 밸브가 장착되어 상기 생물 반응조로부터 배출되는 미생물의 성분을 분석할 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제3 유로는 샘플채취용 밸브가 장착되어 상기 미세 입자 분리 장치 외부로 배출되는 미생물의 성분을 분석할 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제4 유로로 연결되는 상기 제2 유로의 측면에 제2 필터부가 설치되고, 상기 제2 필터부는 구멍의 직경이 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 제2 메쉬부가 실장될 수 있다.
한편, 상기 제2 필터부는 상기 제2 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체가 실장될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 저류조에서 상기 제4 유로로 연결되는 입구에 제3 필터부가 설치되고, 상기 제3 필터부는 구멍의 직경이 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 제3 메쉬부가 실장될 수 있다.
한편, 상기 제3 필터부는 상기 제3 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체가 실장될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제1 필터부는 상기 제1 메쉬부 표면에 고정되는 블레이드 조립체가 더 실장될 수 있다.
한편, 상기 생물 반응조는 혐기성 암모늄 산화(anammox, anaerobic ammonium oxidation) 반응을 수행하는 혐기성 암모늄 산화균을 포함할 수 있고, 상기 혐기성 암모늄 산화균은 Candidatus Brocadia anammoxidans, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Scalindua wagneri, Candidatus Anammoxoglobus propionicus, 및 Planctomycete KSU-1으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 생물 반응조는 아질산화 반응을 수행하는 아질산화균 및 종속영양 탈질 공정을 수행하는 종속영양 탈질균을 포함할 수 있고, 상기 아질산화균은 Nitrosomonas europaea, Nitrosococcus mobilis, Nitrosomonas nitrosa, 및 Nitrosomonas cryotolerans으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 종속영양 탈질균은 Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Cornebacterium, Cytophata, Thiobacillus, and Alcaligenes, Pseudomonas fluorescens, P. Aeruginosa, P. denitrificans and Alcaligenes sp. Curvibacter delicatus, Acidovorax defluvii, Dokdonella koreensis, Dokdonella koreensis, Flavobacterium limicola, Terrimonas ferruginea, 및 Terrimonas lutea으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 제1 메쉬부를 통해 종속영양 탈질균 및 질산화균을 상기 제2 유로로 배출시킬 수 있다.
또한, 상기 생물 반응조에 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태가 존재할 수 있다.
한편, 상기 입상 미생물을 크기에 따라 분리하여 상기 제1 메쉬부를 통과시켜 상기 제2 유로를 통해 상기 생물 반응조 외부로 배출시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치에 있어서, 상기 입상 미생물은 혐기성 암모늄 산화균과 종속영양 탈질균, 아질산화균, 및 질산화균으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 입상 미생물을 크기에 따라 분리하여 상기 생물 반응조 외부로 배출하거나 상기 생물 반응조 내에서 농축시키는, 미세 입자 분리 시스템을 제공한다.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 입상 미생물은 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태를 포함할 수 있다.
한편, 상기 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태가 상기 제1 메쉬부를 통과하지 못하고, 상기 질산화균은 상기 제1 메쉬부를 통과하도록 구동될 수 있다.
또한, 상기 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태는 상기 입상 미생물의 총 부피 100을 기준으로 80 이상이 상기 생물 반응조에 농축되도록 구동될 수 있다.
상기 기술한 바와 같이, 탈암모니아 공정이 수행되는 생물 반응조(1) 내에 포함되는 혐기성 암모늄 산화균, 아질산화균, 종속영양 탈질균, 및 질산화균 중에서 혐기성 암모늄 산화균이 우점화 되지 않는 경우 종속영양 탈질균 및 질산화균이 우점화되어 결과적으로 질소 제거 반응이 원활하게 수행되지 못하였다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 여러 종의 미생물이 혼재하는 단일 반응조 내의 탈암모니아 공정에서 혐기성 암모늄 산화균을 우점화 하기 위하여, 혐기성 암모늄 산화균의 생태학적 특징을 이용하였다.
구체적으로, 단일 반응조 내의 탈암모니아 공정에서 미생물종 별 슬러지 체류시간(SRT, sludge retention time)을 제어할 필요가 있으며, 각 미생물의 성장속도를 고려한 바람직한 SRT는 하기 표 1과 같다.
미생물 종류 요구되는 적정 SRT
혐기성 암모늄 산화균 50 days 이상
아질산화균 10 days 내외
종속영양 탈질균 3 days 이내
질산화균 지속적 성장 억제 필요
또한, 혐기성 암모늄 산화균은 다른 혐기성 미생물들에 비해 용존 산소 농도에 극히 민감하여, 용존 산소 노출에 따른 독성 영향을 감소시키기 위해 아질산화균에 의해 형성된 막 내부에서 군집을 이루는 경향을 보이며, 대부분 100 ㎛ 이상의 입상(granule) 형태로 존재한다. 이에 반해, 종속영양 탈질균과 질산화균은 산소 농도에 대한 저항성이 보다 높아 대부분 100 ㎛ 미만, 예를 들어 80 ㎛ 미만의 플록(floc) 형태로 존재하여 혐기성 암모늄 산화균 등과 입자 크기에서 분명한 차이를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 질소 제거 반응의 효율을 향상시키기 위해, 종속영양 탈질균 및 질산화균은 생물 반응조(1) 외부로 지속적으로 배출시키되 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균은 생물 반응조(1) 내에 존재하도록 하기 위해 관련된 실험을 반복하였고, 그 결과 상기 균들을 효과적으로 분리할 수 있는 메쉬부 구멍의 직경을 제어할 수 있었고, 메쉬부 구멍이 혐기성 암모늄 산화균에 의해 가로막히지 않도록 하여 질소 제거 공정이 연속적으로 수행될 수 있는 본 발명의 미세 입자 분리 장치를 발명하였다.
즉, 본 발명의 발명자들은 필터를 이용한 연속 공정에 의하여 종속영양 탈질균과 질산화균을 선택적으로 반응조로부터 배출시키는 공정 중 혐기성 암모늄 산화균이 메쉬부 구멍을 막아 종속영양 탈질균 및 질산화균이 생물 반응조(1) 외부로 배출되는 효율이 감소하는 문제를 해결하기 위해, 유출수의 이동 방향이 반대인 두 개의 유로가 단일한 제1 필터부 또는 제4 필터부를 통과하는 동시에 제1 필터부 또는 제4 필터부에 실장된 메쉬부 또는 블레이드 조립체가 회전하도록 함으로써, 생물 반응조로부터 유출되는 수압에 의해 메쉬부 구멍을 막은 혐기성 암모늄 산화균을 생물 반응조(1)로 유입되는 수압에 의해 생물 반응조(1)로 재반입 시키는 연속 공정이 가능한 미세 입자 분리 장치를 발명하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치(1000)를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 미세 입자 분리 장치(1000)는 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 저장된 생물 반응조(1); 상기 생물 반응조(1) 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로(11); 상기 제1 유로(11)에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부(120)가 실장된 제1 필터부(100); 상기 제1 필터부(100)를 통과한 유출수가 유입되는 제2 유로(12); 상기 제2 유로(12)에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로(13); 상기 제2 유로(12)의 일 측에서 연결되고, 상기 제1 필터부(100)의 상기 제2 유로(12)가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 생물 반응조(1)로 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로(14); 상기 제4 유로(14)에 의해 배출되는 유출수가 상기 제1 필터부(100)를 통과하여 상기 생물 반응조(1)로 이동되도록 하는 제5 유로(15); 및 상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프(10);를 포함하고, 상기 제1 메쉬부(120)는 상기 제1 필터부(100)에 회전 가능하게 장착될 수 있다.
따라서, 미세 입자 분리 장치(1000)는 제1 메쉬부(120)가 회전하도록 함으로써, 생물 반응조(1)로부터 유출되는 수압에 의해 제1 메쉬부(120)의 구멍을 막은 입자가 생물 반응조(1)로 유입되는 수압에 의해 생물 반응조(1)로 반송(返送)되도록 하여, 생물 반응조(1) 내에 포함된 불필요한 입자를 연속 공정에 의해 제거할 수 있다.
생물 반응조(1)는 하수 또는 슬러지(sludge)가 저장될 수 있고, 질소 제거 반응을 수행하기 위한 혐기성 암모늄 산화균 등과 종속영양 탈질균 등이 포함될 수 있다. 본 발명에서 사용한 용어인 혐기성 암모늄 산화균 등은 현기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태를 지칭하며, 본 발명에서 사용된 용어인 종속영양 탈질균 등은 종속영양 탈질균 및 질산화균을 포함하되 혐기성 암모늄 산화균을 제외한 균을 지칭한다.
구체적으로, 생물 반응조(1)는 탈암모니아 공정이 수행될 수 있고, 성장속도가 각기 다른 혐기성 암모늄 산화균, 아질산화균, 종속영양 탈질균, 및 질산화균이 포함될 수 있으며, 미세 입자 분리 장치(1000)를 통해 종속영양 탈질균 및 질산화균을 생물 반응조(1) 외부로 지속적으로 배출할 수 있고, 상기 균들의 성장속도를 고려한 바람직한 슬러지 체류시간(SRT)은 상기 표 1에서 살펴본 바와 같다.
생물 반응조(1)에 저장된 슬러지는 제1 유로(11)를 통해 생물 반응조(1)로부터 배출될 수 있고, 제1 유로(11)는 제1 필터부(100)에 장착될 수 있다.
제1 필터부(100)는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하고, 회전 가능하게 장착되는 제1 메쉬부(120)가 실장될 수 있고, 제1 메쉬부(120) 구멍의 직경은 50 ㎛ 이상 일 수 있으며, 구체적으로 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 일 예로 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있다.
즉, 상술한 바와 같이 제1 메쉬부(120) 구멍의 직경이 50 ㎛ 이상이 되도록 제어함으로써, 생물 반응조(1)로부터 제1 유로(11)를 통해 배출된 혐기성 암모늄 산화균은 제1 필터부(100)를 통과하지 못하고 종속영양 탈질균 등은 제1 필터부(100)를 통과하도록 제어할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 필터부(100, 300)를 도시한 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 제1 필터부(100)는 제1 메쉬부 커버(130) 및 제1 메쉬부(120)가 실장되는 하우징(110)을 포함할 수 있고, 제1 메쉬부 커버(130)는 제1 메쉬부(120)의 앞, 뒤의 양 면에 배치될 수 있으며, 제1 메쉬부 중앙 홈(121) 및 제1 메쉬부 커버 중앙 홈(131)을 제1 메쉬부 커버 캡(140)이 관통하여 두 개의 제1 메쉬부 커버(130) 사이에 제1 메쉬부(120)가 결착될 수 있다.
제1 메쉬부(120)는 생물 반응조(1)로부터 유출되는 유출수의 수압에 의해 회전할 수 있도록 메쉬부 형태가 팬(fan) 형상일 수 있고, 또는 도 3에 나타낸 바와 같이 제1 메쉬부(220)가 모터(60)에 의해 회전할 수 있도록 제1 메쉬부 중앙 홈(221)이 모터(60)의 기어와 맞물릴 수 있는 형태일 수 있으며, 제1 메쉬부(220)가 모터(60)에 의해 회전할 수 있는 형태의 미세 입자 분리 장치(1000)는 도 6 내지 도 13에서 나타낸 바와 같다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하우징을 도시한 도면이며, 구체적으로 제1 필터부(100, 300) 또는 제4 필터부(200, 400)의 하우징을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 하우징(500, 600)에 연결되는 제1 유로 연결구(111)의 면적은 하우징(500, 600)에 연결되는 상기 제4 유로 연결구(114)의 면적 보다 큰 형태일 수 있다. 따라서, 제4 유로(14)는 제1 유로(11) 보다 유동 면적이 축소되어 유출수의 속도가 보다 증가됨으로써 펌프에 과도한 전력을 공급하지 않아도 미세 입자가 분리되는 연속 공정이 구동될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1 필터부(100)를 통과한 유출수는 제2 유로(12)로 유입될 수 있다. 이 때, 제1 필터부(100)를 통과한 유출수에는 혐기성 암모늄 산화균이 거의 포함되지 않고, 종속영양 탈질균 등이 포함될 수 있으며, 도 6에 나타낸 바와 같이 제2 유로(12)에 샘플채취용 밸브(70)가 장착되어 생물 반응조(1)로부터 배출되는 미생물의 성분을 분석할 수 있고, 구체적으로는 제1 필터부(300)를 통과한 유출수에 혐기성 암모늄 산화균의 포함 여부 또는 종속영양 탈질균 등의 종류나 함량을 분석함으로써, 혐기성 암모늄 산화균이 생물 반응조(1) 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제2 유로(12)는 미세 입자 분리 장치(1000) 외부로 유출수가 배출되는 제3 유로(13) 및 생물 반응조(1)로 유출수가 반송되도록 유출수가 제1 필터부(100)로 배출되는 제4 유로(14)가 연결될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제3 유로(13)는 유출수가 미세 입자 분리 장치(1000)로 반송되지 않는 경로로, 샘플채취용 밸브(70)가 장착되어 미세 입자 분리 장치(1000) 외부로 배출되는 미생물의 성분을 분석할 수 있다. 따라서, 사용자는 제3 유로(13)를 통해 배출되는 유출수에 혐기성 암모늄 산화균의 포함 여부 또는 종속영양 탈질균의 종류 및 함량 등을 분석할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 미세 입자 분리 장치(1000)는 제4 유로(14)로 연결되는 상기 제2 유로(12)의 측면에 제2 필터부(40)가 더 설치될 수 있고, 제2 필터부(40)는 구멍의 직경이 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 제2 메쉬부가 실장되어, 종속영양 탈질균 등이 통과하지 못하도록 제어할 수 있다.
또한, 제2 필터부(40)는 상기 제2 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체(150, 250)가 실장될 수 있고, 후술할 바와 같이 블레이드 조립체(150, 250)는 회전하는 블레이드(160, 260) 및 블레이드(160, 260)의 일측에 부착된 청소솔(170, 270)을 구비하며, 청소솔(170, 270)은 블레이드(160, 260)의 회전시 제1 메쉬부(120)의 일측면에 접촉하면서 회전하는 형태일 수 있다.
따라서, 미세 입자 분리 장치(1000)는 생물 반응조(1)로부터 배출된 종속영양 탈질균 등이 제2 유로(12) 및 제3 유로(13)를 통해 미세 입자 분리 장치(1000) 외부로 배출되는 동시에, 제2 필터부(40)에 의해 걸러져 제4 유로(14)로 유입되지 못할 수 있고, 제2 필터부(40)에 블레이드 조립제(150, 250)가 실장되어 종속영양 탈질균 등이 제2 메쉬부를 막는 현상을 방지할 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치(1000)는 제2 유로(12)에서 배출된 유출수가 저장되는 저류조(2)를 더 포함할 수 있고, 저류조(2)로부터 유출수가 제4 유로(14)를 통해 생물 반응조(1)로 유입되며, 제3 유로(13)를 통해 미세 입자 분리 장치(1000) 외부로 배출되는 형태일 수 있다.
따라서, 유출수가 제3 유로(13)를 통해 미세 입자 분리 장치(1000) 외부로 배출되기 전에 저류조(2)에 머물도록 함으로써, 제2 유로의 일 측에 연결된 제4 유로(14)를 통해 곧바로 유출수가 입자 분리 장치 외부로 배출되도록 하는 경우에 비해 생물 반응조(1)로 반송되는 유출수의 비율을 향상시키거나 또는 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
도 10을 참조하면, 저류조(2)에서 제4 유로(14)로 연결되는 입구에 제3 필터부(50)가 설치되고, 제3 필터부(50)는 구멍의 직경이 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 제3 메쉬부가 실장될 수 있다.
또한, 제3 필터부(50)는 상기 제3 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체(150, 250)가 실장될 수 있고, 블레이드 조립체(150, 250)의 형태 및 효과는 제2 필터부(40)에서 상술한 바를 차용할 수 있다.
한편, 제4 유로(14)는 제2 유로(12)의 일 측에서 연결되고, 제1 필터부(100)의 제2 유로(12)가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 생물 반응조(1)로 유출수가 순환하도록 할 수 있고, 예를 들어 제4 유로(14)는 제1 필터부(100)의 제2 유로(12)가 장착된 면과 연결된 면에 장착될 수 있다.
본 발명에서 사용된 용어인 연결된 면은, 제1 필터부(100, 300) 또는 제4 필터부(200, 400)의 하우징(110, 500, 600)의 재질과 무관하고, 단일한 하우징(110, 500, 600)에서 유로가 연결될 수 있는 특정 방향을 한정하지 않고 모든 방향을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 메쉬부(120)가 판 형태인 경우 제1 유로(11) 및 제5 유로(15)가 제1 메쉬부(120)의 한 면에 장착될 수 있고, 제2 유로(12) 및 제4 유로(14)가 제1 메쉬부(120)의 다른 한 면에 장착될 수 있다.
따라서, 미세 입자 분리 장치(1000)는, 제1 유로(11)를 통해 배출된 슬러지에 포함된 혐기성 암모늄 산화균에 의해 제1 메쉬부(120) 구멍이 막히더라도, 제1 메쉬부(120)가 회전하고 제4 유로(14)를 통해 유출수가 생물 반응조(1) 방향으로 제1 필터부(100)를 통과하도록 함으로써, 제1 메쉬부(120) 구멍을 막고 있던 혐기성 암모늄 산화균이 제5 유로(15)를 통해 다시 생물 반응조(1)에 유입되도록 할 수 있다.
미세 입자 분리 장치(1000)는 생물 반응조(1)로부터 배출되는 슬러지 및 제1 필터부(100)를 통과한 유출수가 제3 유로(13)를 통해 미세 입자 분리 장치(1000) 외부로 배출되거나 생물 반응조(1)로 다시 반송되는 수압을 형성하기 위한 펌프를 포함할 수 있다.
펌프의 종류 및 배치되는 위치는 특별히 한정되지 않고, 제1 유로(11), 제2 유로(12), 제3 유로(13), 제4 유로(14), 및 제5 유로(15) 중 어느 하나 이상과 연결되도록 하나 또는 복수 개가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 제1 펌프(10)는 제2 유로(12)가 연결되도록 배치될 수 있고, 도 23을 참조하면 제1 펌프(10)는 제1 유로(11)가 연결되도록 배치될 수 있다.
또한, 도 11 및 도 12를 참조하면, 제1 펌프(10) 외에 추가적인 펌프가 더 배치될 수 있다. 구체적으로, 도 11을 참조하면 제2 펌프(20)는 제4 유로(14)가 제1 필터부(300)를 통과하기 전에 연결되도록 배치될 수 있고, 도 12를 참조하면 제3 펌프(30)는 제5 유로(15)가 생물 반응조(1)에 연결되기 전에 연결되도록 배치될 수 있다. 한편, 도 11 및 도 12에 따른 구성에 따른 미세 입자 분리 장치(1000)는 도 6 내지 도 10을 들어 설명한 샘플채취용 밸브(70), 제2 필터부(40), 제3 필터부(50) 및 저류조(2)에 관한 구성이 적용될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세 입자 분리 장치(2000)를 도시한 도면이다.
미세 입자 분리 장치(2000)는 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 저장된 생물 반응조(1); 상기 생물 반응조(1) 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로(11); 상기 제1 유로(11)에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부(120) 및 상기 제1 메쉬부(120)의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체(150)가 실장된 제4 필터부(200); 상기 제4 필터부(200)를 통과한 유출수를 외부로 배출하는 제2 유로(12); 상기 제2 유로(12)에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로(13); 상기 제2 유로(12)의 일 측에서 연결되고, 상기 제4 필터부(200)의 상기 제2 유로(12)가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 생물 반응조(1)로 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로(14); 상기 제4 유로(14)에 의해 배출되는 유출수가 상기 제4 필터부(200)를 통과하여 상기 생물 반응조(1)로 이동되도록 하는 제5 유로(15); 및 상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프(10);를 포함하고, 상기 블레이드 조립체(150)는 회전하는 블레이드(160)를 포함하는, 미세 입자 분리 장치(2000)를 제공할 수 있다.
미세 입자 분리 장치(2000)는 전술한 미세 입자 분리 장치(1000)에서 제4 필터부(200, 400)를 제외한 나머지 구성을 차용할 수 있고, 구체적으로 미세 입자 분리 장치(1000)는 제1 메쉬부(120)가 회전 가능하게 제1 필터부(100, 300)에 장착된 형태임에 반하여, 미세 입자 분리 장치(2000)는 블레이드 조립체(150)가 제1 메쉬부(120) 표면에서 회전 가능하도록 제4 필터부(200, 400)에 장착된 형태일 수 있다.
이하 제4 필터부에 관한 구성을 상세하게 기술한다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 제4 필터부(200, 400)는 제1 유로(11)에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부(120) 및 제1 메쉬부(120)의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체(150, 250)가 실장될 수 있다.
구체적으로, 블레이드 조립체(150, 250)는 회전하는 블레이드(160, 260) 및 블레이드(160, 260)의 일측에 부착된 청소솔(170, 270)을 구비하며, 청소솔(170, 270)은 블레이드(160, 260)의 회전시 제1 메쉬부(120)의 일측면에 접촉하면서 회전하는 형태일 수 있다.
블레이드(160, 260)의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 슬러지 유입 방향과 유출 방향이 일치하는 축류형 블레이드(160, 260)일 수 있다. 따라서, 도 14에서 나타낸 바와 같이, 블레이드(160, 260)의 회전을 위한 별도의 동력 장치가 장착되지 않고 생물 반응조(1)에서 배출되는 슬러지에 의한 수압에 의해 회전할 수 있으나, 도 15에서 나타낸 바와 같이, 모터(60)에 의해 구동될 수도 있다. 또한, 블레이드(160, 260)의 개수는 특별히 한정되지 않으나, 도 14 및 도 15를 참조하면, 1개 내지 4개가 형성될 수 있다.
따라서, 블레이드(160, 260)가 회전할 때 청소솔(170, 270)이 제1 메쉬부(120)의 표면에 접촉한 상태로 회전하게 되어 제1 메쉬부(120)의 구멍을 막고 있는 혐기성 암모늄 산화균이 쓸려 나가고, 쓸려 나간 혐기성 암모늄 산화균은 제4 필터부의 하우징(110) 내부에서 와류 후 제5 유로(15)에 의한 수압으로 생물 반응조(1)로 반송될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 미세 입자 분리 장치(1000, 2000)에 있어서, 혐기성 암모늄 산화균과 종속영양 탈질균, 아질산화균, 및 질산화균으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 입상 미생물이 생물 반응조(1)에 저장되고, 상기 입상 미생물을 크기에 따라 분리하여 생물 반응조(1) 외부로 배출하거나 생물 반응조(1) 내에서 농축시키는, 미세 입자 분리 시스템을 제공할 수 있다.
상기 미세 입자 분리 시스템은 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태를 포함할 수 있고, 이는 질소 제거 공정에서 산소에 대한 독성이 강한 혐기성 암모늄 산화균이 아질산화균에 의해 형성된 막의 내부에 군집을 이루는 형태일 수 있으며, 상기 미세 입자 분리 장치(1000, 2000)에 대해 상술한 바와 같다.
상기 미세 입자 분리 시스템은 상기 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태가 상기 제1 메쉬부(120, 220)를 통과하지 못하고, 상기 질산화균은 상기 제1 메쉬부(120, 220)를 통과하도록 구동될 수 있고, 그 결과 생물 반응조(1)에서 질산화균이 지속적으로 생물 반응조(1) 외부로 배출되고 혐기성 암모늄 산화균은 생물 반응조(1)에서 농축될 수 있다.
상기 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태는, 상기 혐기성 암모늄 산화균이 종속영양 탈질균에 대한 우점화가 유지될 수 있도록 생물 반응조(1)에 농축되는 것이 바람직하며, 예를 들어 상기 입상 미생물의 총 부피 100을 기준으로 80 이상, 구체적으로 90 이상이 상기 생물 반응조에 농축되도록 구동될 수 있다.
본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 기재된 실시예는 예시일 뿐이며 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에 기재되지 않는 내용은 이 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것은 설명을 생략하기로 한다.
제조예 - 생물 반응조 (1) 제조
아질산화 반응, 혐기성 암모늄 산화 반응, 및 종속영양 탈질 반응이 지속적으로 수행되는 질소 제거 공정을 구현하기 위해 도 16에 나타낸 바와 같이 10L 크기의 연속 회분식 반응기를 제조하였고, ORP, DO, pH를 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템을 구축하여, 자동 제어 시스템에 의해 DO가 0.5 mg O2/L 이하로 유지되도록 하였다.
생물 반응조(1)의 배출량은 반응조 대비 33%로 운전하였으며, 운전 초기 수리학적 체류시간을 10.5시간으로 제어하여 운전하였으나, 질소 제거 속도 증진을 위하여 미생물을 추가적으로 식종하였고, 이후 수리학적 체류시간을 0.84일로 제어하여 운전하였다. 한 사이클은 도 17에 나타낸 바와 같이 12번의 단계 유입수 주입(sub-cycle)으로 구성되었으며, 각 sub-cycle은 폭기 시간을 조절하여 종속영양 탈질 반응, 혐기성 암모늄 산화 반응, 부분 아질산화 반응을 순차적으로 유도하였다.
또한, 생물 반응조(1)에 투입한 합성폐수는 실제 소화 슬러지 탈리액을 대상으로 질소 제거성능을 평가하기 전에 탈리액의 조성을 보사한 합성 폐수를 제조하였다.
Concentration
Tap water(g/L) Target conc.( g/L)
(NH4)2SO4 0.15-2.36 0.700
NaHCO3 0.504 4.2
CODCr as C6H12O6 - 0.3
KH2PO4 0.027 0.006
MgSO47H2O 0.123 0.012
CaCl22H2O 0.176 0.048
Trace element solution Ⅰ, Ⅱ 1ml/L
실시예 및 비교예
제1 메쉬부 구멍의 직경의 크기에 따른 미생물 활성도를 평가하기 위해, 도 18에 나타낸 바와 같이 체거름(sieving)을 통해 여과된 슬러지 및 여과되지 않은 슬러지로 분류하였고, 생물 반응조(1)에 식종한 입상 미생물의 분포 현황을 도 19에 나타내었다. 구멍의 크기가 500 ㎛ 인 체에 잔류한 미생물을 추출하여 비교예 1로, 구멍의 크기가 355 ㎛ 인 체에 잔류한 미생물을 추출하여 실시예 1로, 구멍의 크기가 200 ㎛ 인 체에 잔류한 미생물을 추출하여 실시예 2로, 구멍의 크기가 100 ㎛ 인 체에 잔류한 미생물을 추출하여 실시예 3으로, 구멍의 크기가 50 ㎛ 인 체에 잔류한 미생물을 추출하여 실시예 4로, 구멍의 크기가 50 ㎛ 인 체를 여과한 미생물을 추출하여 비교예 2로 각각 명명하였다.
실험예 1 - 입상 미생물의 활성도 비교
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따른 미생물에 포함된 혐기성 암모늄 산화균 및 종속영양 탈질균의 활성도를 측정하였다. 구체적으로, 혐기성 암모늄 산화균의 활성도를 SAA(specific anammox activity)에 따라 측정하였고, 종속영양 탈질균의 활성도를 SNUR(specific nitrate utilization rate)에 따라 측정하여, 그 결과를 도 20에 나타내었다. 또한, 질산화균 및 아질산화균의 활성도를 SOUR(specific oxygen uptake rate)에 따라 측정하여 그 결과를 도 21에 나타내었다.
도 20을 참조하면, 입자 크기가 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 실시예 4 및 입자 크기가 50 ㎛ 미만인 비교예 2에 따른 미생물은 종속영양 탈질균이 혐기성 암모늄 산화균에 대해 우점화 되었으나, 입자 크기가 100 ㎛ 내지 200 ㎛, 200 ㎛ 내지 355 ㎛, 355 ㎛ 내지 500 ㎛, 500 ㎛ 초과인 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 및 비교예 1에 따른 미생물은 혐기성 암모늄 산화균이 종속영양 탈질균에 비해 우점화되고, 200 ㎛ 이상의 미생물은 종속영양 탈질균이 거의 활성화되지 않음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 미세 입자 분리 장치(1000, 2000)의 제1 메쉬부(120, 220) 구멍의 직경이 100 ㎛ 이상인 경우, 생물 반응조(1) 내에는 혐기성 암모늄 산화균이 우점화되고 종속영양 탈질균은 제1 메쉬부(120, 220)를 통과하여 생물 반응조(1) 외부로 배출됨을 확인할 수 있고, 제1 메쉬부(120, 220) 구멍의 직경이 200 ㎛ 이상인 경우 종속영양 탈질균은 생물 반응조(1)에 거의 잔류하지 않음을 확인할 수 있다.
또한, 도 21을 참조하면, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 따른 미생물은 아질산화균이 질산화균에 대해 우점화 됨을 확인할 수 있으며, 구멍의 크기가 200 ㎛ 이상인 제1 메쉬부(120, 220)를 사용하는 경우 질산화균의 활성이 극히 감소되고, 따라서 생물 반응조(1)에서 충분히 배출됨을 확인할 수 있다. 그리고, 입상 미생물의 입자 크기가 100 ㎛ 미만인 경우와 50 ㎛ 미만인 경우 질산화균의 활성도는 거의 변화가 없는 반면, 아질산화균의 활성도가 감소함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 미세 입자 분리 장치(1000, 2000)의 제1 메쉬부(120, 220) 구멍의 직경이 50 ㎛ 이상인 경우, 생물 반응조(1)의 조건, 예를 들어, 생물 반응조(1)에 담지된 슬러지의 수온 또는 성상 변화에 따라 미세 입자 분리 장치(1000, 2000)의 운전 조건을 용이하게 제어할 수 있다. 구체적으로, 도 20 및 도 21에 나타낸 바와 같이, 입상 미생물의 입자 크기가 100 ㎛ 미만인 경우와 50 ㎛ 미만인 경우 종속영양 탈질균 및 질산화균의 활성도가 유지되는 반면, 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균의 활성도는 큰 폭으로 감소하므로, 상기 표 1에서 나타낸 SRT에 따라 생물 반응조(1)에서 배출되어 미세 입자 분리 장치(1000, 2000) 외부로 배출되어야 할 미생물의 비율에 따라 제1 메쉬부(120, 220) 구멍의 직경을 50 ㎛ 내지 100 ㎛ 에서 제어하고 기타 조건을 변경하지 않게 됨으로써, 운전 조건을 용이하게 제어할 수 있다.
실험예 2 - 혐기성 암모늄 산화균 및 종속영양 탈질균의 농축도 비교
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 따른 미생물에 포함된 혐기성 암모늄 산화균 및 종속영양 탈질균의 누적 활성도를 통해 체거름(sieve)에 농축된 정도를 측정하였고, 이를 도 22에 나타내었다.
도 22를 참조하면, 입자 크기가 100 ㎛ 이상의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 미생물은, 총 미생물 100%를 기준으로 혐기성 암모늄 산화균은 95.7%가 체에 의해 농축되는 반면, 종속영양 탈질균은 34.7%가 농축됨을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 미세 입자 분리 장치(1000, 2000)의 제1 메쉬부(120, 220) 구멍의 직경이 100 ㎛ 이상인 경우, 혐기성 암모늄 산화균이 생물 반응조(1) 내부에 높은 수율로 분리되어 농축됨을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
1: 생물 반응조 2: 저류조
10: 제1 펌프 20: 제2 펌프
30: 제3 펌프 40: 제2 필터부
50: 제3 필터부 60: 모터
70: 샘플채취용 밸브 11: 제1 유로
12: 제2 유로 13: 제3 유로
14: 제4 유로 15: 제5 유로
100, 300: 제1 필터부 200, 400: 제4 필터부
110, 500, 600: 하우징 120, 220: 제1 메쉬부
121, 221: 제1 메쉬부 중앙 홈 130: 제1 메쉬부 커버
131: 제1 메쉬부 커버 중앙 홈 140, 240: 제1 메쉬부 커버 캡
111: 제1 유로 연결구 112: 제2 유로 연결구
114: 제4 유로 연결구 115: 제5 유로 연결구
150, 250: 블레이드 조립체 160, 260: 블레이드
170, 270: 청소솔

Claims (33)

  1. 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 저장된 생물 반응조;
    상기 생물 반응조 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로;
    상기 제1 유로에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부가 실장된 제1 필터부;
    상기 제1 필터부를 통과한 유출수가 유입되는 제2 유로;
    상기 제2 유로에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로;
    상기 제2 유로의 일 측에서 연결되고, 상기 제1 필터부의 상기 제2 유로가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 생물 반응조로 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로;
    상기 제4 유로에 의해 배출되는 유출수가 상기 제1 필터부를 통과하여 상기 생물 반응조로 이동되도록 하는 제5 유로; 및
    상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프;
    를 포함하고,
    상기 제1 메쉬부는 상기 제1 필터부에 회전 가능하게 장착된, 미세 입자 분리 장치.
  2. 입상 미생물을 포함하는 슬러지(sludge)가 저장된 생물 반응조;
    상기 생물 반응조 외부로 상기 슬러지가 배출되는 제1 유로;
    상기 제1 유로에 의해 배출되는 슬러지에 포함된 입상 미생물을 크기에 따라 분리하는 제1 메쉬부 및 상기 제1 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체가 실장된 제4 필터부;
    상기 제4 필터부를 통과한 유출수를 외부로 배출하는 제2 유로;
    상기 제2 유로에서 연결되어, 유출수를 외부로 배출하는 제3 유로;
    상기 제2 유로의 일 측에서 연결되고, 상기 제4 필터부의 상기 제2 유로가 장착된 면과 연결된 면에 장착되어 상기 생물 반응조 유출수가 순환하도록 하는 제4 유로;
    상기 제4 유로에 의해 배출되는 유출수가 상기 제4 필터부를 통과하여 상기 생물 반응조로 이동되도록 하는 제5 유로; 및
    상기 유출수의 흐름을 발생시키는 제1 펌프;
    를 포함하고,
    상기 블레이드 조립체는 회전하는 블레이드를 구비하는, 미세 입자 분리 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 메쉬부 구멍의 직경은 50 ㎛ 내지 500 ㎛ 인, 미세 입자 분리 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 블레이드 조립체는 상기 블레이드의 일측에 부착된 청소솔를 구비하며, 상기 청소솔은 상기 블레이드의 회전시 상기 제1 메쉬부의 일측면에 접촉하면서 회전하는, 미세 입자 분리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 필터부의 일 측에서 연결되는 상기 제1 유로 연결구의 면적은 상기 제1 필터부의 일 측에서 연결되는 상기 제4 유로 연결구의 면적 보다 큰, 미세 입자 분리 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제4 필터부의 일 측에서 연결되는 상기 제1 유로 연결구의 면적은 상기 제4 필터부의 일 측에서 연결되는 상기 제4 유로 연결구의 면적 보다 큰, 미세 입자 분리 장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 유로는 상기 제1 펌프와 접촉하는, 미세 입자 분리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제4 유로가 상기 제1 필터부를 통과하기 전에 접촉하도록 배치된 제2 펌프를 더 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제4 유로가 상기 제4 필터부를 통과하기 전에 접촉하도록 배치된 제2 펌프를 더 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제5 유로가 상기 생물 반응조에 연결되기 전에 접촉하도록 배치된 제3 펌프를 더 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 유로에서 배출된 유출수가 저장되는 저류조를 더 포함하고,
    상기 저류조부터 유출수가 상기 제4 유로를 통해 상기 생물 반응조로 유입되며, 상기 제3 유로를 통해 상기 미세 입자 분리 장치 외부로 배출되는, 미세 입자 분리 장치.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 입상 미생물은 혐기성 암모늄 산화균과 종속영양 탈질균, 아질산화균, 및 질산화균으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 혐기성 암모늄 산화균은 100 ㎛ 이상의 입상 형태인, 미세 입자 분리 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 종속영양 탈질균 및 질산화균은 100 ㎛ 미만인, 미세 입자 분리 장치.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 유로는 샘플채취용 밸브가 장착되어 상기 생물 반응조부터 배출되는 미생물의 성분을 분석할 수 있는, 미세 입자 분리 장치.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 유로는 샘플채취용 밸브가 장착되어 상기 미세 입자 분리 장치 외부로 배출되는 미생물의 성분을 분석할 수 있는, 미세 입자 분리 장치.
  17. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제4 유로로 연결되는 상기 제2 유로의 측면에 제2 필터부가 설치되고, 상기 제2 필터부는 구멍의 직경이 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 제2 메쉬부가 실장된, 미세 입자 분리 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제2 필터부는 상기 제2 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체가 실장된, 미세 입자 분리 장치.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 저류조에서 상기 제4 유로로 연결되는 입구에 제3 필터부가 설치되고, 상기 제3 필터부는 구멍의 직경이 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 제3 메쉬부가 실장된, 미세 입자 분리 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제3 필터부는 상기 제3 메쉬부의 표면에 회전 가능하게 장착되는 블레이드 조립체가 실장된, 미세 입자 분리 장치.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 필터부는 상기 제1 메쉬부 표면에 고정되는 블레이드 조립체가 더 실장되는, 미세 입자 분리 장치.
  22. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 생물 반응조는 혐기성 암모늄 산화(anammox, anaerobic ammonium oxidation) 반응을 수행하는 혐기성 암모늄 산화균을 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 혐기성 암모늄 산화균은 Candidatus Brocadia anammoxidans, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Scalindua wagneri, Candidatus Anammoxoglobus propionicus, 및 Planctomycete KSU-1으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  24. 청구항 22에 있어서,
    상기 생물 반응조는 아질산화 반응을 수행하는 아질산화균 및 종속영양 탈질 공정을 수행하는 종속영양 탈질균을 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 아질산화균은 Nitrosomonas europaea, Nitrosococcus mobilis, Nitrosomonas nitrosa, 및 Nitrosomonas cryotolerans으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 종속영양 탈질균은 Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Cornebacterium, Cytophata, Thiobacillus, and Alcaligenes, Pseudomonas fluorescens, P. Aeruginosa, P. denitrificans and Alcaligenes sp. Curvibacter delicatus, Acidovorax defluvii, Dokdonella koreensis, Dokdonella koreensis, Flavobacterium limicola, Terrimonas ferruginea, 및 Terrimonas lutea으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는, 미세 입자 분리 장치.
  27. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 메쉬부를 통해 종속영양 탈질균 및 질산화균을 상기 제2 유로로 배출시키는, 미세 입자 분리 장치.
  28. 청구항 12에 있어서,
    상기 생물 반응조에 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태가 존재하는, 미세 입자 분리 장치.
  29. 청구항 12에 있어서,
    상기 입상 미생물을 크기에 따라 분리하여 상기 제1 메쉬부를 통과시켜 상기 제2 유로를 통해 상기 생물 반응조 외부로 배출시키는, 미세 입자 분리 장치.
  30. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 미세 입자 분리 장치를 포함하는 미세 입자 분리 시스템에 있어서,
    상기 입상 미생물은 혐기성 암모늄 산화균과 종속영양 탈질균, 아질산화균, 및 질산화균으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 입상 미생물을 크기에 따라 분리하여 상기 생물 반응조 외부로 배출하거나 상기 생물 반응조 내에서 농축시키는, 미세 입자 분리 시스템.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 입상 미생물은 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태를 포함하는, 미세 입자 분리 시스템.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태가 상기 제1 메쉬부를 통과하지 못하고, 상기 질산화균은 상기 제1 메쉬부를 통과하도록 구동되는, 미세 입자 분리 시스템.
  33. 청구항 31에 있어서,
    상기 혐기성 암모늄 산화균 및 아질산화균에 의해 형성된 입상 형태는 상기 입상 미생물의 총 부피 100을 기준으로 80 이상이 상기 생물 반응조에 농축되도록 구동되는, 미세 입자 분리 시스템.


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