KR101425874B1 - 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법 - Google Patents

아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MBR조를 통한 암모니아성 질소의 부분질산화를 유도하고, 부분질산화에 의해 생성된 아질산성 질소를 미세조류의 배양원으로 이용하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치는 가축분뇨를 혐기성소화시키는 혐기소화조와, 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건으로 운전되며, 상기 혐기소화조의 혐기성소화액을 생물학적으로 처리하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO2-N)로 전환시키는 MBR조와, 상기 MBR조의 유출수 내에 포함되어 있는 아질산성 질소(NO2-N) 및 인을 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양하는 미세조류 배양조 및 상기 미세조류 배양조의 원수를 미세조류와 처리수로 분리하는 미세조류 분리막을 포함하여 이루어지며, 상기 혐기성소화액에 포함되어 있는 질소와 인은 상기 MBR조에 의해 슬러지의 형태로 분리되며, 상기 혐기성소화액에 포함되어 있는 일부의 질소와 인은 유출수로 배출되어 상기 미세조류 배양조로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법{Apparatus and method for cultivating micro-algae with nitrite}
본 발명은 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MBR조를 통한 암모니아성 질소의 부분질산화를 유도하고, 부분질산화에 의해 생성된 아질산성 질소를 미세조류의 배양원으로 이용하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 이산화탄소 배출에 따른 지구온난화현상을 완화하기 위해 이산화탄소 감축 문제와 관련하여 미세조류에 대한 관심이 증폭되고 있다. 미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소를 생물학적으로 고정하여 에너지원으로 사용하며, 미세조류의 성장결과로 얻어진 바이오매스는 동물의 사료, 바이오에너지의 원료 등으로 활용가치가 높다. 또한, 미세조류의 배양에 필요한 질소 및 인을 인위적으로 공급하지 않고 가축분뇨에 포함되어 있는 질소와 인을 이용하면 부영양화를 완화시킬 수 있다.
이에, 가축분류를 이용한 미세조류 배양액 개발(한국공개특허 제2003-76133호, 제2003-95154호)과 같이 하폐수를 배지로 이용하여 미세조류를 배양하고자 하는 시도들이 있다. 그러나 이 경우 조류배양을 목적으로 하기 때문에 하폐수의 처리가 안정적으로 이루어지기는 어려운 단점이 있다.
또한, 미세조류를 이용하여 하폐수를 처리하기 위한 기술들로서 유동성 접촉재 모듈과 조류 모듈을 이용한 수질정화 장치 및 이를 이용한 수질정화 방법(한국 공개특허 제2006-100869호), 부착조류 시스템을 이용한 농촌유역 수질 개선방법(한국공개특허 제2005-0024728호)이 제시되었다. 그리고, 미세조류를 이용하여 하폐수를 처리하는 반응조의 형상(한국공개특허 제2012-73432호), 미세조류의 배양과 수확장치(한국공개특허 제2011-118908호)가 제시된 바 있다.
그러나, 상기의 기술들은 가축분뇨 혐기소화액에 포함되어 있는 고농도의 질소와 인을 직접적으로 처리하기에는 한계가 있으며, 인위적으로 조류의 성장을 조절할 수 없어 질소 및 인의 처리효율이 낮고, 처리효율을 조절하기 매우 어렵다는 단점이 있다. 또한, 부착조류를 이용하거나 일정한 계 내에 존재하는 조류를 이용하기 때문에 미세조류의 안정적인 생산과 회수가 어려운 단점이 있다.
한국공개특허 제2003-76133호 한국공개특허 제2003-95154호 한국공개특허 제2006-100869호 한국공개특허 제2005-0024728호 한국공개특허 제2012-73432호 한국공개특허 제2011-118908호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 가축분뇨의 혐기성소화액을 MBR조를 통해 생물학적으로 처리하여 유기물과 고형성분을 제거하고, 잔여 질소와 인이 포함된 MBR조 유출수를 미세조류의 배양액으로 이용함으로써 가축분뇨의 질소와 인을 효과적으로 제거함과 함께 미세조류의 배양효율을 동시에 향상시킬 수 있는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 MBR조를 통한 암모니아성 질소의 부분질산화를 유도하고, 부분질산화에 의해 생성된 아질산성 질소를 미세조류의 배양원으로 이용하는 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치는 가축분뇨를 혐기성소화시키는 혐기소화조와, 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건으로 운전되며, 상기 혐기소화조의 혐기성소화액을 생물학적으로 처리하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO2-N)로 전환시키는 MBR조와, 상기 MBR조의 유출수 내에 포함되어 있는 아질산성 질소(NO2-N) 및 인을 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양하는 미세조류 배양조 및 상기 미세조류 배양조의 원수를 미세조류와 처리수로 분리하는 미세조류 분리막을 포함하여 이루어지며, 상기 혐기성소화액에 포함되어 있는 질소와 인은 상기 MBR조에 의해 슬러지의 형태로 분리되며, 상기 혐기성소화액에 포함되어 있는 일부의 질소와 인은 유출수로 배출되어 상기 미세조류 배양조로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건은, 상기 MBR조가 용존산소 0.3∼3mg/L의 조건으로 운전될 수 있다. 또한, 상기 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건은, 상기 MBR조가 pH 6.5∼8의 조건으로 운전되거나 상기 MBR조가 25∼35℃의 온도 조건으로 운전될 수 있다.
상기 미세조류 배양조의 일측에 미세조류 배양에 필요한 이산화탄소(CO2)를 공급함과 함께 미세조류 분리막의 막오염을 방지하는 역할을 수행하는 산기장치가 더 구비되며, 상기 미세조류 배양조의 상부에 미세조류 배양에 필요한 광에너지를 공급하기 위한 광원이 배치될 수 있다. 이 때, 미세조류 배양에 필요한 이산화탄소(CO2)는 상기 혐기소화조에서 생산되는 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 이용하거나, 바이오가스를 이용하는 발전기의 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 이용할 수 있다.
상기 미세조류 배양조는 편판형의 완전혼합식, 원기둥형의 완전혼합식, 파이프라인형의 플러그 플로우식, 산화구형의 플러그 플로우식 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양방법은 가축분뇨를 혐기성소화시켜 혐기성소화액을 발생시키는 단계와, 혐기성소화액을 MBR조를 이용하여 생물학적으로 처리하여, 혐기성소화액 내의 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO2-N)로 전환시키는 단계와, 상기 MBR조의 유출수를 자양분으로 이용하여 미세조류 배양조에서 미세조류를 배양하는 단계와, 상기 미세조류 배양조의 원수를 미세조류 분리막을 통해 미세조류와 처리수로 분리하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 MBR조는 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건으로 운전되며, 상기 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건은, 상기 MBR조가 용존산소 0.3∼3mg/L의 조건으로 운전되고, 상기 MBR조가 pH 6.5∼8의 조건으로 운전되며, 상기 MBR조가 25∼35℃의 온도 조건으로 운전되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
가축분뇨를 혐기성소화하여 미세조류 배양원으로 이용함에 있어서, 가축분뇨의 혐기성소화액에 함유된 암모니아성 질소를 부분 질산화하여 아질산성 질소를 생성하고 이를 미세조류 배양원으로 이용함에 따라, 완전 질산화에 요구되는 시간과 에너지를 절감할 수 있다. 또한, 완전 질산화된 질산성 질소 대비 아질산성 질소에 의한 미세조류 배양효율이 대동소이한 바, 미세조류 배양을 효율적으로 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치의 구성도.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 배양조의 구성도.
도 6은 질소원 종류에 따른 미세조류의 성장을 나타낸 그래프.
도 7은 질소원 종류에 따른 질소 제거 효율을 나타낸 그래프.
본 발명은 가축분뇨를 정화함과 함께 가축분뇨 내에 포함되어 있는 질소 성분을 미세조류의 배양에 이용하는 기술을 제시한다. 가축분뇨는 혐기성소화 과정을 거쳐 혐기성소화액으로 전환되며, 혐기성소화액은 MBR조(membrane bio-reactor)에 의해 생물학적 처리가 이루어지며, MBR조의 유출수가 미세조류 배양에 이용된다.
하폐수처리공정에 적용되는 통상의 MBR조에 있어서, 암모니아성 질소는 미생물의 산화반응에 의해 아질산성 질소(NO2-N)를 거쳐 최종적으로 질산성 질소(NO3-N)로 전환된다. 질산성 질소는 탈질 과정을 통해 질소로 전환되어 하폐수의 처리가 진행된다.
본 발명에서는 전술한 바와 같이 미세조류의 배양원으로 질소를 이용하는데, 질산화 과정의 최종 결과물인 질산성 질소(NO3-N) 대신 중간 결과물인 아질산성 질소(NO2-N)를 미세조류의 배양원으로 이용함에 특징이 있다.
통상의 하폐수는 가축분뇨에 대비하여 낮은 농도의 질소(암모니아성 질소)를 함유하고 있어, MBR조에 의한 암모니아성 질소의 질산성 질소로의 전환 과정이 비교적 짧은 시간 내에 진행된다. 반면, 가축분뇨의 경우 고농도의 암모니아성 질소를 함유하고 있는 바, 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환함에 있어 많은 시간과 비용이 소요된다. 이는 암모니아성 질소가 부분 질산화되면서 발생된 고농도의 아질산성 질소 때문에 완전 질산화가 방해받기 때문이다.
한편, 본 발명에서는 실험을 통해 아질산성 질소와 질산성 질소 각각에 의한 미세조류 배양 효율에 대해 확인한 바, 양자간 큰 차이가 없음을 알았다. 이에, 아질산성 질소를 미세조류의 배양원을 제공하는 장치 및 방법을 제시하고자 하며, 최적의 아질산성 질소 생성 조건을 제시한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치는 혐기소화조(110), MBR조(120), 미세조류 배양조(130) 및 미세조류 분리막(140)을 포함하여 구성된다.
상기 혐기소화조(110)는 가축분뇨를 혐기성소화시키는 역할을 하며, 상기 MBR조(120)는 상기 혐기소화조(110)로부터 공급받은 혐기성소화액을 생물학적으로 처리하고 분리막(121)을 이용하여 고형분을 제거하는 역할을 한다. 또한, 상기 미세조류 배양조(130)는 상기 MBR조의 유출수를 이용하여 미세조류를 배양하는 역할을 하며, 상기 미세조류 분리막(140)은 미세조류 배양조(130)의 유출수를 미세조류와 처리수로 분리하는 역할을 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 MBR조는 혐기성소화액 내에 포함되어 있는 고농도의 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO2-N)로 부분 질산화함에 그 특징이 있으며, 상기 MBR조에 의해 생성된 아질산성 질소(NO2-N)는 미세조류 배양에 이용된다. 아질산성 질소(NO2-N)의 생성을 위해 상기 MBR조는 다음과 같은 조건 하에서 운전된다.
먼저, MBR조(120)의 용존산소(DO, dissolved oxygen)는 0.3∼3mg/L의 조건을 유지해야 한다. MBR조(120)의 용존산소가 0.3mg/L 이하이면 산소량이 적어 부분 질산화 반응 즉, 아질산성 질소 생성 반응이 거의 이루어지지 않으며, 용존산소가 3mg/L를 넘어서게 되면 부분 질산화의 효율을 더 이상 증가되지 않는다.
다음으로, MBR조(120)의 pH가 6.5∼8을 유지해야 한다. MBR조(120)의 pH가 6.5∼8이면 자유암모니아가 활성화되어 암모니아성 질소의 질산성 질소로의 완전 질산화가 방해되며, 이에 의해 아질산성 질소의 농도가 최대화된다. 반면, pH가 6.5 이하이면 자유암모니아의 농도가 낮아 완전 질산화 반응이 이루어지며, pH가 8 이상이면 자유암모니아의 농도가 너무 높아져 자유암모니아가 대기 중으로 증발되어 부분 질산화 반응의 효율이 저하된다.
마지막으로, MBR조(120)의 온도는 25∼35℃의 온도를 유지해야 한다. MBR조(120)의 온도가 15∼25℃인 경우 아질산성 질소보다는 질산성 질소의 생성이 활발히 진행되며, MBR조(120)의 온도가 35℃ 이상이면 MBR조(120) 내의 미생물이 손상될 우려가 있다.
또한, 상기 MBR조(120)는 고농도의 유기물들을 호기성 미생물들의 작용을 통하여 생물학적으로 제거하고, 분리막(121)을 통하여 총고형물(SS)을 제거하는 역할을 하며, 이를 통해 미세조류 배양조에서의 광 공급효율을 증대시켜 미세조류가 원활하게 성장되도록 한다.
상기 혐기소화조(110)의 혐기성소화액은 상기 MBR조(120)에 의해 생물학적으로 처리되어 슬러지와 유출수로 분리되며, MBR조(120)의 유출수는 상기 미세조류 배양조(130)로 공급된다. 혐기성소화액 내에 포함된 질소와 인은 MBR조(120)에 의해 슬러지의 형태로 분리되나, 혐기성소화액이 고농도의 질소와 인을 포함하고 있어 일부의 질소와 인은 유출수에 포함되어 배출되며, 일정량의 질소와 인이 포함된 MBR조(120)의 유출수는 미세조류의 자양분으로서의 역할을 하게 된다. 이 때, 상기 MBR조(120)의 유출수 내에 포함된 질소는 아질산성 질소(NO2-N)의 형태를 이룬다.
상기 미세조류 배양조(130)는 일정량의 아질산성 질소(NO2-N)와 인이 포함된 유출수를 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양하는 역할을 하며, 상기 미세조류 분리막(140)은 미세조류 배양조(130) 내의 원수를 미세조류와 처리수로 분리하는 역할을 한다.
상기 미세조류 배양조(130)는 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 일 예로 편판형의 완전혼합식(도 2 참조), 원기둥형의 완전혼합식(도 3 참조), 파이프라인형의 플러그 플로우식(도 4 참조), 산화구형의 플러그 플로우식(도 5 참조)으로 실시할 수 있다. 한편, 상기 미세조류 배양조(130)에서 배양되는 미세조류 즉, 질소와 인을 자양분으로 성장되는 미세조류로는 안키스트로데스무스 그라실리스(Ankistrodesmus gracilis SAG278-2: KCTC AG20745), 세네데스무스 아쿠이나투스(Scenedesmus accuminatus: KCTC AG 10316), 세네데스무스 쿠아드리카우다Scenedesmus quadicauda: KCTC AG 10308), 아르쓰로스퍼라 플라텐시스(Arthrospira platensis: KCTC AG20590) 및 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris: KCTC AG10032) 등이 이용될 수 있다.
또한, 상기 미세조류 분리막(140)은 미세조류의 투과 방향과 처리수의 여과 방향이 동일한 막힘형 여과 방식 또는 미세조류의 투과 방향과 처리수의 여과 방향이 수직인 크로스플로우(crossflow)형 여과 방식이 사용될 수 있다. 이와 함께, 상기 미세조류 분리막(140)은 막 세공 크기가 0.1㎛ 내지 수㎛인 정밀여과막 및 막 세공 크기가 0.002 내지 0.05㎛ 인 한외여과막 중에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 이들을 복합적으로 적용하는 것도 가능하다. 이와 같은 미세조류 분리막(140)을 적용함에 따라, 수리학적 체류시간(HRT)과 고형물체류시간(SRT)을 독립적으로 분리할 수 있으며, 특히, 미세조류 배양조(130) 내의 미세조류 농도에 대한 제어가 가능하다. 한편, 상기 미세조류 분리막(140)에 의해 분리된 처리수는 일부 반송되어 MBR조(120)로 공급될 수 있으며, 이는 혐기성소화액의 농도를 조절하기 위함이다.
상기 미세조류 배양조(130)에 있어서, 미세조류 배양에 필요한 이산화탄소(CO2)를 공급함과 함께 미세조류 분리막(140)의 막오염을 방지하는 역할을 수행하는 산기장치(131)가 더 구비될 수 있으며, 상기 미세조류 배양조(130)의 상부에는 미세조류 배양에 필요한 광에너지를 공급하기 위한 광원(132)이 배치될 수 있다. 미세조류 배양조(130)가 파이프라인형의 플러그 플로우식(도 4 참조)으로 구성되는 경우, 산기장치(131) 대신 공기교환탑(133)이 구비될 수 있으며, 그 역할은 산기장치(131)의 역할과 동일하다. 또한, 미세조류 배양에 필요한 이산화탄소(CO2)는 상기 혐기소화조(110)에서 생산되는 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 이용하거나 바이오가스를 이용하는 발전기의 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 이용할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치 및 방법에 대해 설명하였다. 다음으로, 아질산성 질소에 의한 미세조류 배양 효율 및 질소 제거 효율을 살펴보기로 한다.
도 6은 질소원 종류에 따른 미세조류의 성장을 나타낸 것으로서, 도 6을 참조하면 질산성 질소(도 6의 '●' 표시)와 아질산성 질소(도 6의 '▲' 표시) 모두 암모니아성 질소(도 6의 '□' 표시)보다 미세조류 배양원으로 효과적임을 알 수 있으며, 질산성 질소에 의한 미세조류 배양 효율과 아질산성 질소에 의한 미세조류 배양 효율은 큰 차이가 나지 않음을 알 수 있다.
또한, 도 7은 질소원 종류에 따른 질소 제거 효율을 나타낸 것으로서, 도 7을 참조하면 암모니아성 질소보다 질산성 질소와 아질산성 질소에 의한 질소 제거 효율이 뛰어남을 알 수 있으며, 질산성 질소와 아질산성 질소 각각에 의한 질소 제거 효율은 거의 비슷함을 알 수 있다.
110 : 혐기소화조 120 : MBR조
121 : 분리막 130 : 미세조류 배양조
131 : 산기장치 132 : 광원
133 : 공기교환탑 140 : 미세조류 분리막

Claims (8)

  1. 가축분뇨를 혐기성소화시키는 혐기소화조;
    아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건으로 운전되며, 상기 혐기소화조의 혐기성소화액을 생물학적으로 처리하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO2-N)로 전환시키는 MBR조;
    상기 MBR조의 유출수 내에 포함되어 있는 아질산성 질소(NO2-N) 및 인을 자양분으로 이용하여 미세조류를 배양하는 미세조류 배양조; 및
    상기 미세조류 배양조의 원수를 미세조류와 처리수로 분리하는 미세조류 분리막을 포함하여 이루어지며,
    상기 혐기성소화액에 포함되어 있는 유기물 및 일부의 질소와 인은 상기 MBR조에 의해 슬러지의 형태로 분리되며, 상기 혐기성소화액에 포함되어 있는 용존성의 질소와 인은 유출수로 배출되어 상기 미세조류 배양조로 공급되는 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건은,
    상기 MBR조가 용존산소 0.3∼3mg/L의 조건으로 운전되는 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건은,
    상기 MBR조가 pH 6.5∼8의 조건으로 운전되는 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건은,
    상기 MBR조가 25∼35℃의 온도 조건으로 운전되는 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 미세조류 배양조의 일측에 미세조류 배양에 필요한 이산화탄소(CO2)를 공급함과 함께 미세조류 분리막의 막오염을 방지하는 역할을 수행하는 산기장치가 더 구비되며, 상기 미세조류 배양조의 상부에 미세조류 배양에 필요한 광에너지를 공급하기 위한 광원이 배치되는 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 미세조류 배양에 필요한 이산화탄소(CO2)는 상기 혐기소화조에서 생산되는 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 이용하거나, 바이오가스를 이용하는 발전기의 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 이용하는 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 미세조류 배양조는 편판형의 완전혼합식, 원기둥형의 완전혼합식, 파이프라인형의 플러그 플로우식, 산화구형의 플러그 플로우식 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양장치.
  8. 가축분뇨를 혐기성소화시켜 혐기성소화액을 발생시키는 단계;
    혐기성소화액을 MBR조를 이용하여 생물학적으로 처리하여, 혐기성소화액 내의 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO2-N)로 전환시키는 단계;
    상기 MBR조의 유출수를 자양분으로 이용하여 미세조류 배양조에서 미세조류를 배양하는 단계;
    상기 미세조류 배양조의 원수를 미세조류 분리막을 통해 미세조류와 처리수로 분리하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 MBR조는 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건으로 운전되며, 상기 아질산성 질소(NO2-N) 생성 조건은,
    상기 MBR조가 용존산소 0.3∼3mg/L의 조건으로 운전되고, 상기 MBR조가 pH 6.5∼8의 조건으로 운전되며, 상기 MBR조가 25∼35℃의 온도 조건으로 운전되는 것을 특징으로 하는 아질산성 질소를 이용한 미세조류 배양방법.
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