KR100322947B1

KR100322947B1 - 오,폐수의 질소처리방법

Info

Publication number: KR100322947B1
Application number: KR1019990039478A
Authority: KR
Inventors: 이병헌; 최해경; 김정래
Original assignee: 이병헌
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 1999-09-15
Publication date: 2002-03-13
Also published as: KR20010027643A

Abstract

본 발명은 오, 폐수의 질소처리방법에 관한 것으로 1) 제1무산조(10)에 폐수를 유입시켜 외부탄소원의 공급과 호기조(20)로부터의 내부반송을 받아 전탈질산화작용이 일어나게 하는 단계; 2) 상기 호기조(20)에 상기 제1무산소조(10)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 부족한 알칼리를 보충하여 질산화 작용이 일어나게 하는 단계; 3) 제2무산소조(30)에 상기 호기조(20)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 외부탄소원의 공급에 의해 후탈질산화 작용이 일어나게 하는 단계; 4) 탈기조(40)에 상기 제2무산소조(30)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 질소가스를 탈기시키는 단계; 5) 침전조(50)에 상기 탈기조(40)에서 유출한 폐수를 유입시켜 슬러지를 침전, 처리수와 분리시켜 처리수는 외부로 유출하고 슬러지는 상기 제1무산소조(10)로 환송하거나 슬러지저장조로 제거하는 단계로 이루어지며, 제1무산소조(10), 제2무산소조(30)에 공급되는 외부탄소원은 메탄올, 분뇨, 식료품폐수, 음식물 산소화유출수일 수 있으며, 침전조(50)에 응집제를 첨가하여 침전효과를 높일 수 있다. 본 발명에 의해 유기물농도는 낮으나 질소농도는 높은 오, 폐수의 효과적인 질소처리방법을 제공할 수 있다.

Description

오, 폐수의 질소처리방법 {Method for removing nitrogen in waste water}

본 발명은 오, 폐수의 질소처리공정에 대한 것으로 특히 유기물 농도는 낮으면서 질소농도는 높은 폐수에 대한 효율적 질소처리방법에 대한 것이다.

우리나라에서 배출되는 폐수는 질소의 농도가 유기물의 농도에 비해 높아서 페수처리시 질소제거가 충분히 이루어지지 못하여 처리된 유출수 내의 질소농도가높은 경우가 많다. 처리된 유출수내의 질소농도가 높은 경우 수자원의 용존산소를 고갈시키고, 수중생물에 독성을 유발함과 동시에 염소소독의 효율에 영향을 끼쳐 공공보건상의 위해를 야기하고, 하수 재사용시 적합성에 영향을 끼친다. 따라서 질소의 제거는 수질관리와 하수처리장 설계에 점차 중요해지는 경향이 있다.

폐수속의 질소를 제거하는 방법으로는 크게 물리, 화학적 방법과 생물학적 방법으로 나눌 수 있다. 물리, 화학적 방법으로는 공기 탈기(air stripping), 파괴점 염소주입(breakpoint chlorination), 선택적 이온교환(selective ion exchange)등이 있으나 비용과 불규칙한 성능, 그리고 운전과 유지상의 문제점 때문에 잘 사용되지 않으며 주로 생물학적 방법이 사용되고 있다.

생물학적 질소 제거방법은 폐수중의 암모니아성 질소를 산소 존재하에서 나이트로소모나스(Nitrosomonas), 나이트로박터(Nitrobactor)와 같은 질산화균을 이용하여 산화질소(NO₂, NO₃)로 전환시키는 질산화(Nitrification) 공정과 산소가 존재하지 않는 무산소(Anoxic) 상태에서 소이도모나스(Psedomonas)와 같은 임의성 (Facultative) 박테리아에 의해 산화된 질소를 질소가스로 전환시켜 제거하는 탈질산화(Denitrification) 공정으로 이루어진다.

탈질산화시에는 반드시 탄소원(수소공여체)이 필요하며, 이 유기물은 미생물 성장에 필요한 호흡기질과 탄소원이 되는데 고농도의 질소화합물을 함유하고 있는 폐수의 경우 탈질산화에 필요한 유기물의 부족에 의해 탈질산화 과정이 제대로 일어날 수 없다는 문제점이 있다. 고농도의 생물학적 질소 제거 공정에서는 통상 2차에걸친 탈질산화과정을 통해 폐수속에 포함된 암모니아성 질소를 제거하고 있는데 이를 전탈질산화(Pre-denitrification)와 후탈질산화(Post- denitrification)이라 한다. 통상적으로 전탈질산화과정에서 유입폐수중의 유기물을 이용하여 산화된 질소를 탈질산화시키며, 후탈질산화 과정중에 외부로부터의 탄소 공급원에 의해 탈질산화가 이루어지는 것이 일반적이다.

그러나 우리나라와 같이 하, 폐수가 저농도의 유기물과 고농도의 질소 조건인 경우 종래기술의 처리공법에 의해 높은 질소처리효율에 도달하기는 어려운 일이며, 이를 위해서 새로운 장치설비로 인해 추가적 비용을 들여야 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 기존에 설치된 하수처리장에 적용하여 높은 질소처리효율을 얻을 수 있는 하수처리방법을 제공한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 1) 제1무산조(10)에 폐수를 유입시켜 외부탄소원의 공급과 호기조(20)로부터의 내부반송을 받아 전탈질산화작용이 일어나게 하는 단계; 2) 상기 호기조(20)에 상기 제1무산소조(10)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 부족한 알칼리를 보충하여 질산화 작용이 일어나게 하는 단계; 3) 제2무산소조(30)에 상기 호기조(20)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 외부탄소원의 공급에 의해 후탈질산화 작용이 일어나게 하는 단계; 4) 탈기조(40)에 상기 제2무산소조 (30)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 질소가스를 탈기시키는 단계; 5) 침전조(50)에 상기 탈기조(40)에서 유출한 폐수를 유입시켜 슬러지를 침전, 처리수와 분리시켜 처리수는 외부로 유출하고 슬러지는 상기 제1무산소조(10)로 환송하거나 슬러지저장조로 제거하는 단계로 이루어지는 오, 폐수의 질소처리방법을 제공하며, 제1무산소조(10), 제2무산소조(30)에 공급되는 외부탄소원은 메탄올, 분뇨, 식료품폐수, 음식물 산소화유출수일 수 있으며, 침전조(50)에 응집제를 첨가하여 침전효과를 높일 수 있다.

본 발명에 의해 저농도의 유기물과 고농도의 질소를 함유한 오, 폐수의 효과적인 질소처리방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 사용되는 장치구성도, 도 2는 본 발명에 따른 오, 폐수의 질소처리방법의 흐름도이다.

* 도면의 주요한 부분에 대한 설명

10: 제1무산소조 110: 외부탄소원 주입선

20: 호기조 120: 내부반송선

30: 제2무산소조 130: 알카리원 주입선

40: 탈기조 140: 외부탄소원 주입선

50: 침전조 150: 슬러지반송선

160: 슬러지배출선

도 1은 본 발명의 폐수의 질소처리방법을 실현하기 위한 장치구성도로서 제1무산소조(10), 호기조(20), 제2무산소조(30), 탈기조(40), 침전조(50)로 구성되어 있다.

제1무산소조(10)와 제2무산소조(30)에서는 유입폐수의 탄소원이나 내생탄소원 또는 외부탄소원에 의해 화학식 1과 같이 질산염이 질소가스로 변환되는 작용이 일어난다. 제1무산소조(10)와 제2무산소조(30)에는 외부탄소원주입선(110, 140)에 의해 외부탄소원이 주입되어 탈질산화효율을 높이도록 하고 있다.

2NO₂ ^-+ 3H₂(탄소원) → N₂↑+ 2OH^-+ 2H₂O

2NO₃ ^-+ 5H₂(탄소원) → N₂↑+ 2OH^-+ 4H₂O

호기조(20)에서는 나이트로조모나스, 나이트로박터와 같은 질산성 미생물의 작용에 의해 암모니아성 질소가 아질산염과 질산염으로 변환되는 작용을 거치게 된다. 이때 발생된 수소이온에 의해 폐수가 산성으로 변하므로 알카리주입선(130)에 의해 알카리성분을 호기조(20)내로 주입한다. 또한 호기조(20)에서 질산화된 폐수는 설치된 내부반송선(120)에 의해 100-200% 범위내에서 제1무산소조(10)로 내부반송이 이루어진다.

NH₄ ⁺+ 3/2 O₂→ NO₂ ^-+ 2H⁺+ H₂O

NO₂ ^-+ 1/2 O₂→ NO₃ ^-

탈기조(40)에서는 혼합액 부유물의 생물학적 플록내에서 질소가스 등을 슬러지와 분리시켜 침전조의 효율을 증진시키도록 한다.

침전조(50)에서는 슬러지를 침전시켜 처리수를 유출하고 분리된 슬러지는 슬러지반송선(150)에 의해 제1무산소조(10)로 환송하거나 슬러지배출선(160)에 의해 슬러지 저장조로 배출시키도록 하고 있다.

본 발명에 의한 폐수의 질소처리방법은 상기에서 설명된 폐수처리장치를 이용한 고농도 질소함유 폐수의 질소처리방법을 제공한다.

폐수에 함유된 유기물과 질소의 비가 매우 낮은 경우 탈질산화 과정에서 소요되는 탄소원은 미처리폐수에 의해 공급되는 탄소원과 내생분해에 의한 탄소원만으로는 부족하게 된다. 따라서 본발명에서는 후탈질산화과정 뿐만 아니라 전탈질산화과정에서도 부족한 탄소원을 외부탄소원에 의해 보충하여 질소의 처리효율을 높이고 있다. 제1무산소조와 제2무산소조 양쪽에 외부탄소원을 공급하여 각 무산소조에서의 탈질산화효율을 80-90%까지 높일 수 있다. 일반적으로 외부탄소원이 공급되지 않는 경우 탈질산화효율은 20-30% 정도이다.

도 2는 본 발명에 따른 오, 폐수의 질소처리방법의 흐름도로서 다음과 같은 단계로 이루어진다.

1) 제1무산조(10)에 폐수가 유입되어 외부탄소원의 공급과 호기조로(20)부터의 내부반송을 받아 전탈질산화작용이 일어난다.

2) 호기조(20)에서는 제1무산소조(10)로부터 유출된 페수를 유입받아 포기기의 작용에 의해 산소를 공급하여 질산화 작용이 일어난다. 이때 질산화 작용에 따라 산성도가 높아지는 만큼 알카리를 보충시켜준다. 투입되는 알카리 성분에는 탄산칼슘(CaCO₃) 혹은 탄산나트륨(NaHCO₃)와 같은 물질이 사용될 수 있다. 호기조에서 유출된 폐수는 제2무산소조(30)로 유입되는 흐름과 제1무산소조(10)로 내부반송되는 흐름으로 나누어 진다.

3) 제2무산소조(30)에서는 호기조(20)로부터 유출된 폐수와 외부탄소원을 공급받아 후탈질산화 작용이 일어난다.

4) 탈기조(40)에서는 제2무산소조(30)로부터 유출된 폐수를 탈기조에 공급하여 미생물 플락내의 질소가스 등을 탈기시키는 작용을 한다.

5)침전조(50)에서는 탈기조(40)에서 유출한 폐수를 공급받아 슬러지를 침전시켜 처리수는 외부로 유출하고 슬러지는 제1무산소조(10)로 환송하거나 슬러지저장조로 제거하도록 한다. 이때 침전조에 명반, 염화철, 황산철, 석회 등과 같은 응집제를 주입할 수 있으며, 이로 인해 침전효율을 높임과 더불어 폐수에서의 인의 제거효과도 이룰수 있다.

다음 표 1과 표2는 제1무산소조와 제2무산소조에서 외부탄소원으로 메탄올을 주입한 경우와 그렇지 않고 내생탄소원만으로 질산화시킨경우를 HRT를 달리하면서 비교한 실험결과이다.

제1무산소조의 질산성 질소의 제거효율

HRT	내생탄소원	메탄올(30mg/L)	메탄올(60mg/L)
질산성 질소	유입량mg/L	유출량mg/L	제거율%	유입량mg/L	유출량mg/L	제거율%	유입량mg/L	유출량mg/L	제거율%
50분	11.7	10.9	6.8	12.8	5.2	59.0	14.2	2.9	79.6
40분	11.5	10.5	8.7	12.9	4.7	63.6	13.2	1.2	90.9
30분	11.8	11.0	6.8	12.4	6.6	46.8	13.0	1.8	86.1
20분	10.9	10.4	4.6	13.2	6.9	47.7	15.1	2.2	85.4
10분	11.7	11.3	3.4	12.7	8.4	33.9	19.5	2.7	86.2

제2무산소조의 질산성 질소 제거효율

HRT	내생탄소원	메탄올(30mg/L)	메탄올(60mg/L)
질산성 질소	유입량mg/L	유출량mg/L	제거율%	유입량mg/L	유출량mg/L	제거율%	유입량mg/L	유출량mg/L	제거율%
50분	14.8	12.9	12.8	15.3	7.9	48.4	15.2	3.4	77.6
40분	14.5	12.8	11.7	15.4	8.7	43.5	14.8	6.2	58.1
30분	14.3	12.2	14.7	15.1	9.5	37.1	15.4	7.8	49.4
20분	14.4	12.8	11.1	14.6	9.9	32.2	14.8	8.1	45.3
10분	14.0	13.1	6.4	15.7	12.2	22.3	14.6	9.5	34.9

상기 실험결과에서 보는 바와 같이 내생탄소원만으로 탈질산화시키는 경우 그 효율은 15% 미만이나 외부탄소원을 공급하는 경우 탈질산화율을 급격히 증가하며, 유입 탄소량이 많아질수록 높아진다는 사실을 알수 있다. 또한 폐수의 수리학적 체류시간(HRT)도 탈질산화율에 영향을 미쳐서 수리학적 체류시간이 높을 수록 탈질산화 효율이 높음을 알 수 있다.

상기와 같은 방법은 탄소와 질소비가 낮은 우리나라에서 폐수의 질소처리방법으로 적합한 공정이며, 상기의 방법을 적용하는 경우 유입수의 질소농도가 70mg/L 이상 고농도인 경우에도 80% 이상의 질소처리 효율을 보인다.

본 발명에 의해 우리나라 현실에 맞는 폐수의 질소처리방법을 제공할 수 있으며, 본 발명을 기존 하수처리장에의 간단히 적용할 수 있음으로 인해 별도의 비용을 들이지 않고도 폐수의 고도처리가 가능하도록 한다.

Claims

제1무산소조(10), 호기조(20), 제2무산소조(30), 탈기조(40), 침전조(50)로 이루어지는 오, 폐수처리장치를 이용한 오, 폐수의 질소처리방법에 있어서,

1) 제1무산조(10)에 폐수를 유입시켜 외부탄소원의 공급과 호기조(20)로부터의 내부반송을 받아 전탈질산화작용이 일어나게 하는 단계; 2) 상기 호기조(20)에 상기 제1무산소조(10)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 부족한 알칼리를 보충하여 질산화 작용이 일어나게 하는 단계; 3) 제2무산소조(30)에 상기 호기조(20)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 외부탄소원의 공급에 의해 후탈질산화 작용이 일어나게 하는 단계; 4) 탈기조(40)에 상기 제2무산소조(30)로부터 유출된 폐수를 유입시켜 질소가스를 탈기시키는 단계; 5) 침전조(50)에 상기 탈기조(40)에서 유출한 폐수를 유입시켜 슬러지를 침전, 처리수와 분리시켜 처리수는 외부로 유출하고 슬러지는 상기 제1무산소조(10)로 환송하거나 슬러지저장조로 제거하는 단계;로 이루어지는 오, 폐수의 질소처리방법.
제1항에 있어서, 상기 제1무산소조(10), 제2무산소조(30)에 공급되는 외부탄소원은 메탄올, 분뇨, 식료품폐수, 음식물 산소화유출수 임을 특징으로 하는 오, 폐수의 질소처리방법.
제1항에 있어서, 상기 침전조(50)에 응집제를 첨가하여 침전효과를 높임을 특징으로 하는 오, 폐수의 질소처리방법.