KR100216559B1 - 생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물 및 이를 이용한 폐수 처리방법 - Google Patents

생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물 및 이를 이용한 폐수 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휴젤 오일(fusel oil)과 주정증류 공정에서 부산(副産)되는 폐알코올의 비율이 부피비로 1:1.5~3인 생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물 및 이를 이용하는 폐수의 처리방법에 관한 것이다. 본 발명의 폐수 처리방법은 유입 폐수중의 유기물을 이용하여 산화된 질소를 탈질산화시키는 전탈질산화 공정과, 외부 탄소원을 공급하여 추가로 탈질산화시키는 후탈질산화 공정으로 이루어지며, 후탈질산화 공정에서 상기의 휴젤 오일과 폐알코올로 이루어진 탄소원 조성물을 외부 탄소원으로서 사용하여 폐수를 탈질산화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 외부 탄소원으로서 메탄올 대신에 휴젤 오일과 폐알코올로 된 조성물을 사용함으로서 비용 절감 뿐만아니라 질소 제거 효율의 향상을 가져올 수 있다. 또한 소각처리되는 폐자원을 재활용한다는 점에서 산업적 이용성이 크다.

Description

생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물 및 이를 이용한 폐수 처리방법
본 발명은 주성분이 휴젤 오일(fusel oil)과 폐알코올로 이루어진 생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물 및 이를 이용하는 폐수의 처리방법에 관한 것이다.
폐수중의 질소가 처리되지 않고 호수, 하천, 바다 등과 같은 수계(水系)에 배출되면 많은 악영향을 미치는데, 암모니아성 질소는 수생 생물에 독성을 주며, 질산염으로 산화되는 과정에서 물에 녹아 있는 산소(용존 산소, DO)를 고갈시킨다.
또한 수계에 질소유입이 과다하면 플랑크톤과 같은 수생식물을 대량 번식시켜 수질을 점차 악화시키는 부영양화(Eutrophication)를 야기시킨다. 따라서, 수질 악화 방지와 수자원을 보호하기 위해서는 폐수로부터 질소 제거가 필수적이다.
고농도의 질소를 함유하고 있는 폐수의 처리방법으로써 지금까지 알려진 방법으로는 크게 물리화학적 방법과 생물학적 방법이 있다. 물리화학적 방법으로는 암모니아 탈기법(Ammonia stripping), 분기점 염소처리법(Breakpoint chlorination), 이온교환법(Ion exchange)등 많은 방법이 있지만, 경제성, 기술적 한계 등의 이유로 거의 실용화되지 못하고 미생물을 이용하는 생물학적 질소 제거 방법이 주로 이용되고 있다.
생물학적 질소 제거방법은 폐수중의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 산소 존재하에서 호기성균인 질산화균(Nitrifier), 예를 들어, 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로박터(Nitrobactor)를 이용하여 산화질소(NO2, NO3)로 전환시키는 질산화(Nitrification) 공정과 산소가 존재하지 않는 무산소(Anoxic) 상태에서 임의성(Facultative) 박테리아, 예를들어, 소이도모나스(Pseudomonas)에 의해 산화된 질소를 질소(N2) 가스로 전환시켜 제거하는 탈질산화(Denitrification) 공정으로 이루어진다. 그 반응식은 다음과 같다.
질산화 공정
Figure kpo00002
탈질산화 공정
Figure kpo00003
상기 반응식에서처럼 탈질산화시에는 반드시 탄소원(수소공여체)이 필요하며, 이 유기물은 미생물 성장에 필요한 호흡기질과 탄소원이 된다.
통상 생물학적 질소 제거 공정에서는 1차로 유입폐수중의 유기물을 이용하여 산화된 질소를 탈질산화시키는데, 이를 전탈질산화(Pre-denitrification)라고 한다. 그러나 고농도 질소 함유 폐수의 경우에는 추가적인 탈질산화가 필요한데 이를 후탈질산화(Post-denitrification)라고 한다. 이러한 탈질산화 공정에서는 외부로부터 탄소원의 공급이 필수적이다.
지금까지 외부에서 공급되는 탄소원(이하 외부 탄소원이라 칭함)은 탄소(C)가 하나인 메탄올(Methanol)을 사용하여 왔다. 그러나 메탄올은 고가이므로 생물학적 질소 제거 공정의 운전 비용을 크게 증가시켜 생물학적 질소 제거 공정의 보급에 큰 제약이 되어 왔다.
본 발명에서는 상기한 문제점을 해결하고자 연구하던차 주정(酒精)(95
Figure kpo00004
알코올) 생산 공장의 증류공정에서 부산물로 발생되어 소각처리되는 휴젤 오일과 폐코올을 혼합 조제하여 외부 탄소원으로 이용할 경우 고농도 질소 함유 폐수로부터 고효율로 질소를 제거할 수 있다는 사실에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 휴젤 오일과 폐알코올로 이루어진 생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생물학적 후탈질산화 공정에서 휴젤 오일과 폐알코올로 이루어진 탄소원 조성물을 외부 탄소원으로서 사용하여 폐수를 탈질산화시키는 고농도 질소 함유 폐수의 처리방법을 제공하는 것이다.
제1도는 생물학적으로 폐수를 처리하는 공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,3 : 무산소조 2,4 : 폭기조
5 : 침전조 6 : 미터링 펌프
7,8 : 공기 송풍기 M : 교반기
본 발명의 생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물은 휴젤 오일과 폐알코올로 이루어진다.
휴젤 오일은 주정(酒精)(95% 알코올)을 생산하는 공장에서 증류 공정을 거쳐 부산물로서 얻어지나, 소각처리되고 있다. 이러한 휴젤 오일은 다음 표 1에 제시된 조성을 가진 유상의 화합물로써, 폐수중에는 용해되지 않고 수면(水面)에 존재하게 된다.
Figure kpo00005
본 발명의 탄소원 조성물중 폐알코올(일명, 불량 주정)은 휴젤 오일을 폐수중에 균등히 분산, 용해시키기 위하여 용매로써 사용한다. 이러한 폐알코올은 다음 표 2에 제시한 조성을 가지고 있다.
Figure kpo00006
본 발명의 탄소원 조성물에서 폐알코올의 함량 비율은 휴젤 오일에 대해 부피비로 1.5 내지 3배이다. 이 범위를 벗어나면 휴젤 오일이 폐수중에 균등하게 분산, 용해되지 않으며 적절한 탄소원 함량을 유지할 수 없다.
한편, 본 발명의 탄소원 조성물을 이용하여 고농도 질소 함유 폐수를 처리하여 질소를 생물학적으로 제거하는 방법은 제1도에 도시한 바와 같이 제일 무산소조(1), 제일 폭기조(2), 제이 무산소조(3), 제이 폭기조(4), 침전조(5)로 구성되고 공기 송풍기(7,8)가 각각 제일 폭기조(2)와 제이 폭기조(4)에 설치되어 있으며, 각 무산소조에는 교반기가 있는 폐수처리 반응조에서 다음 단계로 수행된다.
1) 제일 무산소조(Anoxic Tank)(1)에 원폐수를 넣고 제일 폭기조(2)로부터 내부반송된 질화액과 같이 교반하면서 원폐수중에 본래 함유되어 있는 유기물과 침전슬러지의 미생물을 이용하여 질화액에 함유된 산화질소(NO2, NO3)를 질소 가스(N2)로 탈질시킨다.
2) 탈질된 폐수 혼합액을 제일 폭기조(2)로 이송시키고, 공기 송풍기(7)에 의해 공기를 공급하여 혼합액중의 미생물에 의해 BOD를 제거하고, 암모니아성 질소를 질산화시킨다. 폐수 혼합액 일부를 제일 무산소조(1)로 내부반송한다.
3) 제일 폭기조(2)의 질산화된 폐수 혼합액을 제이 무산소조(3)로 이송시키고, 외부 탄소원을 가해 교반하면서 탈질 미생물에 의해 산화질소를 질소 가스로 탈질한다.
4) 탈질된 폐수 혼합액을 제이 폭기조(4)로 이송시키고, 공기 송풍기에 의해 공기를 공급하여 잔존 유기물을 제거하고 혼합액중의 슬러지에 부착되어 있는 질소 가스 기포를 제거한다.
5) 제이 폭기조(4)로부터 유출된 폐수 혼합액을 고액분리하여 맑은 처리수는 외부로 배출하고 침전된 슬러지는 제일 무산소조(1)로 반송시킨다.
상기 공정 단계를 보다 구체적으로 설명하면, 1)단계는 전탈질공정이고 2)단계는 질산화 공정이며, 3)단계는 후탈질화 공정으로서, 전 공정을 연속 공정으로 할 수 있다. 특히 공기 송풍기(7,8)에 의해 공기를 불어넣으면서 제일 폭기조(2)와 제이 폭기조(4)에서 용존산소의 농도를 2
Figure kpo00007
/1 이상 유지시키는 것이 바람직하다. 또한 반응조내 폐수 혼합액의 온도는 28~30℃로 유지시키며, 침전조(5)로부터 침전슬러지의 반송율은 제일 무산소조(1)에 유입되는 원폐수의 양에 100~150%이다.
한편, 상기 반응조에서 수리학적 체류시간(HRT, Hydraulic Retention Time)은 총 36시간이 소요되나, 제일 무산소조에서 1시간, 제일 폭기조에서 16시간, 제이 무산소조에서 5시간, 제이 폭기조에서 4시간이 각각 소요된다.
또한, 외부 탄소원의 양은 폐수 유입량에 대해 0.32 g(외부탄소원)/1(폐수)이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예로서 설명하면 다음과 같으나, 본 발명이 이들 실시예에 국한하는 것으로 의도되지 않는다.
[실시예]
주정 생산 공장에서 증류공정을 거쳐 얻어진 부산물(휴젤 오일) 1부피에 폐알코올 2부피를 혼합하여 탄소원 조성물을 제조하였다. 얻어진 조성물의 조성은 다음 표 3과 같다.
Figure kpo00008
보리, 타피오카, 고구마 등을 원료로 하여 주정을 생산하는 과정에서 발생되는 폐수를 대상으로 실시하였다.
발생 폐수는 원료의 종류별 사용 비율에 따라 차이가 있지만, 고농도의 유기물을 함유하고 있어 1차로 고온 혐기성 소화(Thermophillic Anacrobic Digestion)처리 후 응집 부상법으로 고형물을 제거한다음 유출되는 처리수를 실험 폐수로 사용하였다.
폐수의 물리화학적 특성은 pH 8.0, BOD 750
Figure kpo00009
/1, 총질소(Total Nitrogen) 526
Figure kpo00010
/1, 부유 고형물(일명, 현탁 고형물) 120
Figure kpo00011
/1, CODMN(화학적 산소 요구량) 820
Figure kpo00012
/1이었다.
전체 부피가 72 1인 처리 반응조중에서 교반기가 설치된 제일 무산소조(1)에 상기 폐수 (보리:타파오카=1:2)를 주입량 48 1/일로하여 주입하고, 여기에 침전조(5)로부터 탈질균이 함유된 침전슬러지를 폐수 주입량의 1.5배로 반송시켜 1시간 동안 교반하였다. 이 때 혼합액의 온도는 현장 폐수와 동일하게 28~30℃를 유지시켰다. 그후 폐수 혼합액을 제일 폭기조(2)로 이송시키고 공기 송풍기에 의해 공기를 불어넣어 용존산소를 2
Figure kpo00013
/1 이상으로 유지시켰다. 제일 폭기조에서 16시간 체류한다음, 제이 무산소조(3)로 이송시키고 이 때 실시예 1에서 제조한 외부 탄소원(15.36 g/일)을 넣고 5시간 교반하면서 탈질화하였다. 그 후 탈질화된 폐수 혼합액을 제이 폭기조(4)로 이송시키고 공기 송풍기에 의해 공기를 불어넣어 용존산소를 2
Figure kpo00014
/1로 유지시켰다. 제이 폭기조에서 4시간 체류한다음, 침전조(5)로 이송시켜 침전시키고, 상징액(처리수)은 외부로 배출하였다.
제일 폭기조에서 그리고 외부 배출 처리수의 질소형태별 농도와 CODMN을 측정하여, 다음 표 4와 제2도 및 제3도에 제시한다. 여기서 CODMN는 처리수중의 알코올 유출 가능성을 조사하기 위해 측정한 것이다.
Figure kpo00015
한편, 예비실험에 의해 상기 실험 원폐수를 본 발명의 질소제거 공정을 적용하지 않고 처리하면 COD가 280~320
Figure kpo00016
/
Figure kpo00017
로 확인되었다.
상기 표에서 살펴보면, 본 발명의 질소제거 공정을 도입한 처리수의 COD는 예비실험의 질소제거 이전 보다 40~80
Figure kpo00018
/1 정도 감소가 있었으며, 전체 총질소 제거율은 94.03%로 높은 제거효율을 보여주었다.
본 발명은 외부 탄소원으로서 메탄올 대신에 휴젤 오일과 폐알코올의 조성물을 사용함으로서 비용 절감 뿐만아니라 질소 제거 효율의 향상을 가져올 수 있다. 또한 폐자원을 재활용한다는 점에서 산업적 이용성이 크다.

Claims (3)

  1. 휴젤 오일과 주정증류공정 부산(副産) 폐알코올의 비율이 부피비로 1:1.5~3인 생물학적 탈질산화용 탄소원 조성물.
  2. 유입 폐수중의 유기물을 이용하여 산화된 질소를 탈질산화시키는 전탈질산화 공정과, 외부 탄소원을 공급하여 추가로 탈질산화시키는 후탈질산화 공정으로 이루어진 고농도 질소 함유 폐수의 생물학적 처리방법에 있어서, 후탈질산화 공정에서 휴젤 오일과 주정증류공정 부산 폐알코올 1: 1.5~3 부피 비율로 이루어진 탄소원 조성물을 외부 탄소원으로서 사용하여 폐수를 탈질산화시키는 고농도 질소 함유 폐수의 처리방법.
  3. 제2항에 있어서, 외부 탄소원이 원폐수의 유입량에 대해 0.32g/ℓ인 고농도 질소 함유 폐수의 처리방법.
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