KR100674364B1 - 유기성 질소계 폐수의 처리방법 및 처리시스템 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야.

본 발명은 질소계 폐수의 처리방법 및 처리시스템에 관한 것으로, 특히 유기성 질소가 다량 포함된 고농도 산업폐수의 총 질소(TN : Total Nitrogen) 처리에 대한 것이다.

나. 발명이 해결하려는 기술적 과제.

현재, 수행하고 있는 질소계 폐수의 처리는, 폐수 중에 포함된 질소의 대부분이 질산성 질소(NO₃-N)로 존재하고 있고, 그 나머지는 암모니아성 질소(NH₄-N)로서 미량 존재하고 있다 것을 기준으로 처리토록 하고 있는 것이다.

따라서 이때의 처리방법은 전반부에 무산소 공정을 통한 NO₃-N의 탈질반응이 일어나도록 한 후, 그 후반부에 호기 공정을 통한 NH₄-N의 질산화가 일어나도록 한 후, 전반부의 무산소 공정으로 반송/순환시켜 탈질반응이 일어나도록 하는 처리방식으로 총 질소(TN)를 제거토록 하는 것이다.

그러나 다량의 유기성 질소를 함유한 산업폐수를 상기한 처리방법에 의하여 처리할 경우, 질소가 NO₃-N로 존재하는 것보다 유기성 질소로 존재하는 양이 더 많기 때문에 전반부의 무산소 공정을 통한 NO₃-N의 탈질반응은 쉽게 이루어질 수 있으나, NH₄-N가 급증되는 기 현상을 초래하게 되고, 급증된 NH₄-N는 후반부의 호기 공 정으로 그대로 유출되어 시스템 과부하에 따른 처리가 불가능하게 됨으로서 결국 방류수의 TN 제거율을 거의 기대할 수 없었던 것이었다.

다. 발명의 해결방법의 요지.

따라서 본 발명은 처리대상 질소의 대부분을 유기성 질소에 비중을 두어 처리할 수 있도록 한 것으로서, 1차적으로는, 유입되는 폐수의 성상에 따라 호기 상태로의 운영이 가능토록 된 임의성 무산소공정을 통한 유기성 질소의 안정화가 이루어지도록 한 후, 2차적으로, 호기공정을 통한 변환된 NH₄-N의 NO₃-N로의 질산화 반응이 이루어지도록 한 후, 3차적으로 질산화된 중간 처리수를 무산소 공정을 통하여 탈질시키고, 최종적으로 호기공정을 통한 미 처리된 여분의 유기성 질소의 추가 분해 공정이 일어나도록 하여 다시 임의성 무산소 공정으로 반송/순환시켜 처리토록 한 것이다.

라. 발명의 중요한 용도

유기성 질소가 다량 포함된 질소계 폐수의 처리방법

Description

유기성 질소계 폐수의 처리방법 및 처리시스템{A nitrogenous wastewater treatment process and system is included an organic nitrogen}

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 처리시스템 구성도.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 처리시스템의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 오니반송펌프 2: 에어리프트펌프

3: 교반장치 4: 산기장치

5: 미생물 담체 6: 유출수 이송배관

7: 오니이송배관

10: 집수조 20: 임의성 무산소조

30: 제1호기조 40: 무산소조

50: 제2호기조 60: 침전조

본 발명은 질소계 폐수의 처리방법 및 처리시스템에 관한 것으로, 특히 유기성 질소가 다량 포함된 고농도 산업폐수의 총 질소(TN : Total Nitrogen) 처리에 대한 것이다.

현재, 폐수 중에 포함된 질소의 처리를 위한 방법은, 폐수 중에 포함된 총 질소(TN)가 질산성 질소(NO₃-N)의 형태로 대부분 존재하고 있고 나머지는 암모니아성 질소(NH₄-N)의 형태로 미량 존재하고 있는 것으로만 중점을 두어 시스템을 설계하였던 것이었다.

따라서 이를 위한 처리방법은 전반부에 무산소 공정을 두어 질산성 질소(NO₃-N)의 형태로 존재하는 질소(N)를 질소(N₂)가스로 변화시켜 탈질반응에 의한 질소가 제거토록 하고, 제거되지 않은 나머지 미량의 질소(N)에 대해서는 암모니아성 질소(NH₄-N)의 형태로 존재한다는 것으로 간주하여 후반부에 호기 공정을 두어 암모니아성 질소(NH₄-N)를 질산성 질소(NO₃-N)로 변환토록 한 후 전반부의 무산소 공정으로 반송/순환시켜 탈질토록 하는 처리방식으로 총 질소(TN)을 제거토록 하였던 것이었다.

그러나 이러한 처리방식을 적용하여 LCD 제조공장 등 다량의 유기성 질소가 포함된 산업폐수를 처리할 경우, 질소가 NO₃-N로 존재하는 것보다 유기성 질소로 존재하는 양이 더 많기 때문에 전반부의 무산소 공정에서는 NO₃-N의 탈질반응은 쉽게 이루어져 NO₃-N의 농도는 크게 감소하지만, NH₄-N의 농도가 오히려 현저하게 증가되는 기 현상이 발생되었고, 이와 같이 NH₄-N가 증가된 상태의 중간 처리수는 후반부 의 호기 공정으로 그대로 유입되어 NH₄-N의 급증에 따른 과부하로 처리가 불가능하게 됨으로서 결과적으로는 방류수의 총 질소(TN) 제거를 크게 기대할 수 없었던 것이었다.

결국 이러한 현상은 조사 결과, LCD 제조공장 등에서 사용되는 원료물질인 TMAH(Tetra Methyl Amonium Hydro-oxide)가 유기성 질소의 원인물질로서 이러한 유사 제조공정에서 발생되는 산업폐수 중에는 유기성 질소가 다량 포함되어 있고, 이러한 유기성 질소는 무산소 또는 호기 상태에서 미생물 및 효소작용에 의하여 암모니아성 질소로 전환되기 때문에 결국 총 질소의 농도를 높이게 되는 원인이 되었던 것으로, 총 질소 제거를 위한 시스템의 설계 인자를 질산성 질소보다도 유기성 질소에 더 큰 비중을 두어 설계되어지는 새로운 처리방법 및 시스템이 요구되었던 것이었다.

따라서 본 발명은 무산소, 호기 공정으로 이루어지는 종래의 처리방식으로 유기성 질소가 다량 포함되어 있는 산업폐수의 경우, 유출수에 유기성 질소의 농도가 감소되어 유기성 질소가 제거된 것처럼 보이지만 결국 총 질소의 농도가 높아졌다는 것은 유기성 질소가 NH₄-N → NO₃-N → N₂ 의 순차적 분해 공정을 거쳐 완전히 제거된 것이 아니라 분해 중간 상태인 NH₄-N로 머물러 미 처리된 상태로 유출되었기 때문에 발생되는 현상이라는 것에 착안하여, 처리대상 질소의 대부분을 유기성 질소에 비중을 두어 순차적 분해가 가능토록 되는 처리공정 및 시스템으로 이루어지는 새로운 질소계 폐수의 처리방법 및 시스템을 강구토록 한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 처리방법은 1차적으로, 유입되는 폐수의 성상에 따라 호기성 상태로의 운영이 가능토록 된 임의성 무산소공정을 통한 유기성 질소의 안정화가 먼저 이루어지도록 한 후, 2차적으로, 호기공정을 통한 변환된 NH₄-N의 NO₃ -N로의 질산화 반응이 이루어지도록 한 후, 3차적으로 질산화된 중간 처리수를 무산소 공정을 통하여 탈질시켜 유기성 질소의 순차적 분해 공정을 통한 안정적인 처리를 유도토록 한 후, 최종적으로 호기공정을 통한 미 처리된 여분 유기성 질소의 추가 분해 공정이 일어나도록 하여 다시 임의성 무산소 공정으로 반송/순환시켜 처리토록 하여 유기성 질소의 단계적 분해가 이루어지도록 함으로서 총 질소 처리의 극대화가 가능토록 한 것이다.

본 발명 질소계 폐수의 처리방법은 유입되는 폐수의 성상에 따라 호기 상태로의 운영이 가능토록 된 임의성(facultative) 무산소공정을 통하여 원 폐수 중에 포함되어진 유기성 질소를 먼저 NH₄-N의 형태로 변화시켜 안정화시킴과 동시에 탈질반응을 통한 NO₃-N의 제거가 가능토록 하는 1차 처리단계와, 호기공정을 통하여 변환된 NH₄-N를 NO₃-N로 질산화시키는 2차 처리단계와, 질산화된 중간 처리수를 무산소 공정을 통하여 탈질시켜 원 폐수 중에 포함된 대부분의 유기성 질소를 순차적으로 분해시켜 안정적인 처리를 유도토록 하기 위한 3차 처리단계와, 호기공정을 통 하여 미 처리된 여분의 유기성 질소의 추가 변화 및 NH₄-N의 질산화 반응이 일어나도록 하여 다시 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정으로 반송/순환시켜 처리할 수 있도록 한 4차 처리단계 공정을 통하여 처리토록 하는 것이다.

이때 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정은 원 폐수 중에 포함된 질소가 초기 단계에서는 유기성 질소의 함유량이 낮고, 암모니아성 질소 및 질산성 질소 분율의 변화가 심하기 때문에 암모니아성 질소가 높을 경우만 호기성 조건으로 운전토록 하고, 그 외 또는 정상 상태에서는 무산소 조건으로 운전토록 함으로서 발생되는 폐수의 성상에 따른 효율적인 처리가 가능하게 되는 것이다.

또한 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정에서의 미생물 공급은 상기 4차 처리단계 공정 이후에 발생되는 유출수 중에 포함된 오니를 침전시켜 제거토록 하기 위하여 포함되는 침전공정에서 발생되는 오니를 유입 원 폐수 량 대비 100% 이내로 반송/순환시키는 것이다.

이때 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정, 2차 처리단계의 호기 공정, 3차 처리단계의 무산소 공정, 4차 처리단계의 호기 공정에는 상시 미생물이 고정적으로 부착 성장할 수 있도록 하여 미생물과의 접촉율을 높임으로서 처리 효율을 더욱 증진시킬 수 있도록 할 수 있는 것이다.

또한 상기 2차 처리단계에서의 호기 공정으로부터 배출되는 유출수와 4 차처리단계의 호기공정으로부터 배출되는 유출수에는 미량이나마 미 분해된 유기성 질소가 잔재되어 있고, 암모니아성 질소로 변환된 상태로 잔재되어 있을 수 있기 때문에 처리/운전 상황에 따라서 각각 1차 처리단계의 임의성 무산소공정과 3차 처리단계의 무산소 공정으로 반송/순환토록 하여 무산소 교반 -호기 폭기가 수차례 반복/교대토록 함으로서 잔여 질소의 완벽 처리가 가능토록 하는 것으로, 이때의 반송/순환은 원 폐수 대비 200% 이내로 하는 것이다.

이때 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정은 원 폐수 중에 포함된 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응 또는 유기성 질소의 암모니아성 질소(NH₄-N)로의 분해/전환반응과 침전된 반송오니에 포함된 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응을 유도토록 하기 위한 제1무산소 공정과, 제1무산소 공정을 호기성으로 운전할 경우 2차 처리단계의 호기 공정 및 4차 처리단계의 호기 공정으로부터 반송/순환되는 유출수에 함유되어 유입이 예상되는 분자상의 산소(O₂)가 질산성 질소(NO₃-N)를 탈질시키는데 필요한 무산소 조건을 유지하는데 장애가 되므로 이들 분자상의 산소(O₂)를 폐수 중에 함유된 유기물과의 반응에 의하여 제거토록 함과 동시에 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응 또는 유기성 질소를 암모니아성 질소(NH₄-N)로 분해/전환토록 하기 위한 제2무산소 공정과, 완전한 무산소 조건에서 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응 또는 유기성 질소를 암모니아성 질소(NH₄-N)로 분해/전환토록 하기 위한 제3무산소 공정으로 구분하여 순차적으로 이루어지도록 함으로서 더욱 효과적인 질소 처리가 가능토록 되는 것이다.

즉, 유입되는 폐수 중 유기성 질소와 NO₃-N의 비율이 높을 경우, 제1무산소 공정에서는 무산소 조건으로 운전토록 되어 유기성 질소가 임의성 미생물에 의하여 NH₄-N로 전환토록 함과 동시에 NO₃-N가 N_z 가스로 전환되어 제거되어지는 탈질 반응을 유도할 수 있는 한편, 유입되는 폐수 중 NH₄-N의 비율이 높은 경우에는 제1무산소 공정이 호기성 상태로 운전토록 되어 NH₄-N가 호기성 미생물에 의한 질산화 과정을 거쳐 NO₃-N로 전환토록 한 후, 이후 제2무산소 공정과 제3무산소 공정에서는 항상 무산소 조건으로 운전토록 됨으로서 혐기성 미생물에 의하여 유기성 질소는 본격적으로 NH₄-N로의 전환 반응이 일어나도록 하고, NO₃-N는 N_z 가스로의 본격적인 탈질 반응에 의한 제거가 가능토록 함으로서 유입 폐수의 성상에 따른 효율적 처리가 가능토록 할 수 있다는 것이다.

한편, 상기 임의성 무산소 공정에서의 유기성 질소→ NH₄-N로의 분해/전환 반응은 무산소 운전 조건 하에서 LCD 제조공장 등에서 사용되는 원료물질인 TMAH(Tetra Methyl Amonium Hydro-oxide)가 유기성 질소의 원인물질로서 임의성 미생물의 분해/전환반응에 의하여 NH₄-N 증가된 것이고, 이와 동시에 발생되는 탈질반응은 폐수 중에 포함되어 있는 유기물을 미생물이 분해할 때 산소대신 NO₃를 전자수용체로 사용되어 NO₃가 감소되면서 N₂가스로 탈질 되는 것이고, NH₄-N가 NO₃-N로 전환되는 질산화 반응은 호기성 운전 조건 하에서 호기성 독립영양미생물인 Nitrosomanas와 Nitrobacter가 산소를 사용하여 암모니아를 산화시켜 NO₃-N을 합성함으로서 이루어지는 반응인 것이다.

또한 상기 2차 처리단계의 호기 공정에서는 산소의 주입으로 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정에서의 유출수 중에 증가되어진 암모니아성 질소(NH₄-N)를 질산성 질소(NO₃-N)로 산화/전환토록 하기 위한 것으로서, 유기성 질소의 농도가 높게 유지될 경우는 상기 임의성 무산소 공정으로 반송/순환시킴으로서 함유된 분자상의 산소를 최소화시킨 후, 다음 3차 처리단계의 무산소 공정에서 재차 유기성 질소의 암모니아성 질소(NH₄-N)로의 분해/전환반응을 효율적으로 유도하고자 하는 것이며, 이렇게 함으로서 2차 처리단계의 호기 공정의 반송/순환에 의하여 발생되는 체류시간의 감소로 암모니아성 질소(NH₄-N)가 질산성 질소(NO₃-N)로 질산화되는 효율의 감소를 방지하고자 하는 것이다.

상기 3차 처리단계의 무산소 공정은 2차 처리단계의 호기 공정의 유출수 중에 증가되어진 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질 및 잔여 유기성 질소의 암모니아성 질소(NH₄-N)로의 분해/전환을 위한 것으로, 이때 무산소 공정은 DO의 농도가 0.0 ~ 0.3PPM 범위에서 운전되어 완전한 혐기가 아니기 때문에, 본 발명에서는 혐기(Anaerobic), 호기(Aerobic 또는 Oxic)와의 구분을 위하여 무산소(Anoxic) 상태라고 결정하였으며, 실제로 무산소 공정을 위한 운전 DO의 농도 범위는 0.0 ~ 0.5PPM 범위로 설정하는 것이 바람직한 것이다.

이때 상기 4차 처리단계의 호기 공정의 유출수를 3차 처리단계의 무산소 공정으로 반송/순환시킴으로서 4차 처리단계의 호기 공정에서 미 처리된 질산성 질소와 유기물을 재차 처리할 수 있도록 하는 것이다.

이때 4차 처리단계의 호기 공정은 최종적으로 잔류하는 오염물질을 방류기준 이내로 처리/관리하기 위하여 설치/배치되는 것으로서, 이들 중 유기성 질소와 암모니아성 질소가 총 질소(TN) 관리기준 이상일 경우는 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정으로, 질산성 질소가 총 질소(TN) 기준을 초과할 경우와 유기오염물질이 관리기준을 초과할 경우는 상기 3차 처리단계의 무산소 공정으로 각각 유입 원 폐수 량 대비 200% 이내로 반송/순환시켜 반복 처리토록 함으로서 처리효율을 향상시킬 수 있는 것이다.

이하에서는 본 발명의 시스템을 첨부된 도면에 의한 배치구성을 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명 질소계 폐수의 처리시스템은 원 폐수를 일시 저장토록 하기 위한 집수조(10)와, 유입되는 폐수의 성상에 따라 무산소조건 및 호기성 조건의 선택적 운전 기능이 겸비토록 교반장치(3)와 산기장치(4)가 장착된 임의성 무산소조(20)와, 호기성 조건으로의 운전 기능을 위한 산기장치(4)가 장착된 제1호기조(30)와, 무산소 조건으로의 운전을 위한 교반장치(3)가 장착된 무산소조(40)와, 호기성 조건으로의 운전 기능을 위한 산기장치(4)가 장착된 제2호기조(50)와, 상기 제2호기조(50)의 유출수 중에 포함된 오니를 상등수와 분리하여 침전토록 하기 위한 침전조(60)를 순차적으로 배치 구성시킨 것이다.

이때 상기 침전조(60)에는 침전오니를 오니반송펌프(1)에 의하여 상기 임의성 무산소조(20)로 반송/순환토록 하기 위한 오니이송배관(7)이 연결되는 것이고, 상기 제1호기조(30)와 상기 제2호기조(50)에는 유출수를 에어리프트펌프(2)에 의하여 상기 임의성 무산소조(20)와 무산소조(40)로 각각 반송/순환토록 하기 위한 처리수이송배관(6)이 각각 연결되어지는 것이다.

이하, 상기한 방식대로 배치시킨 시스템의 각 반응과 역할에 대하여 설명해 보기로 한다.

우선, 상기 임의성 무산소조(20)는 산업폐수의 특성상 제품생산 공정 가동 초기에는 폐수 성상의 변화(특히 총 질소의 구성 성분)가 심하여 폐수의 성상에 따른 총 질소(TN)의 원활한 처리를 위하여 무 산소조건 또는 호기성 조건으로의 선택적인 운전이 가능토록 한 것으로서, 초기 단계에서는 유기성 질소의 함유량이 낮고, 암모니아성 질소 및 질산성 질소 분율의 변화가 심하기 때문에 암모니아성 질소의 함유량이 많을 경우에만 교반장치(3)와 산기장치(4)가 모두 가동되어 호기성 상태로 운전토록 되고, 그 이외 또는 정상 상태에서는 교반장치(3)만이 가능토록 되어 무산소 상태로만 운전토록 하는 것이다.

이때 상기 임의성 무산소조(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 원 폐수 중에 포함된 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응 또는 유기성 질소의 암모니아성 질소(NH₄-N)로의 분해/전환반응과 침전조(60)로부터 반송되는 반송오니에 포함된 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응을 유도토록 하기 위한 제1무산소조(21)와, 제1무산소조(21)를 호기성으로 운전할 경우, 제1호기조(30) 및 제2호기조(50)로부터 반송/순환되는 처리 수에 함유되어 유입이 예상되는 분자상의 산소(O₂)가 질산성 질소(NO₃-N)를 탈질시키는데 필요한 무산소 조건을 유지하는데 장애가 되므로 이들 분자상의 산소(O₂)를 폐수 중에 함유된 유기물과의 반응에 의하여 제거토록 함과 동시에 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응 또는 유기성 질소를 암모니아성 질소(NH₄-N)로 분해/전환토록 하기 위한 제2무산소조(22)와, 완전한 무산소 조건에서 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질반응 또는 유기성 질소를 암모니아성 질소(NH₄-N)로 분해/전환토록 하기 위한 제3무산소조(23)로 구분토록 함으로서 더욱 효과적으로 질소를 처리할 수 있도록 할 수 있는 것이다.

즉, 유입되는 폐수 중 유기성 질소와 NO₃-N의 비율이 높을 경우에는 제1무산소조(21)에서 무산소 조건으로 운전토록 되어 유기성 질소가 임의성 미생물에 의하여 NH₄-N로 전환토록 함과 동시에 NO₃-N가 N_z 가스로 전환되어 제거되어지는 탈질 반응을 유도할 수 있는 한편, 유입되는 폐수 중 NH₄-N의 비율이 높은 경우에는 제1무산소조(21)가 호기성 상태로 운전토록 되어 NH₄-N가 호기성 미생물에 의한 질산화 과정을 거쳐 NO₃-N로 전환토록 한 후, 이후 제2무산소조(22)와 제3무산소조(23)에서는 항상 무산소 조건으로 운전토록 됨으로서 혐기성 미생물에 의하여 유기성 질소는 본격적으로 NH₄-N로의 전환 반응이 일어나도록 하고, NO₃-N는 N_z 가스로의 본격적 인 탈질 반응에 의한 제거가 가능토록 함으로서 유입 폐수의 성상에 따른 효율적 처리가 가능토록 할 수 있다는 것이다.

또한 상기 임의성 무산소조(20)에는 고농도 유기성 질소계 폐수의 효율적인 처리를 위하여 미생물담체(5)를 충전시켜 조 내에서의 고착성 MLSS에 의한 전체 MLSS 농도를 증가시켜 반응시간의 단축 및 반응률의 증가로 경제적이면서도 높은 처리효율을 기대할 수 있도록 할 수 있는 것이다.

한편, 상기 임의성 무산소조(20)에서의 유기성 질소 → NH₄-N로의 분해/전환 반응은 무산소 운전 조건 하에서 LCD 제조공장 등에서 사용되는 원료물질인 TMAH(Tetra Methyl Amonium Hydro-oxide)가 유기성 질소의 원인물질로서 임의성 미생물의 분해/전환반응에 의하여 NH₄-N 증가된 것이고, 이와 동시에 발생되는 탈질반응은 폐수 중에 포함되어 있는 유기물을 미생물이 분해할 때 산소대신 NO₃를 전자수용체로 사용되어 NO₃가 감소되면서 N₂가스로 탈질 되는 것이고, NH₄-N가 NO₃-N로 전환되는 질산화 반응은 호기성 운전 조건 하에서 호기성 독립영양미생물인 Nitrosomanas와 Nitrobacter가 산소를 사용하여 암모니아를 산화시켜 NO₃-N을 합성함으로서 이루어지는 반응인 것이다.

또한 상기 제1호기조(30)는 산기장치(4)에 의하여 산소가 주입되어 호기성 상태로 유지되어지는 것으로서, 상기 임의성 무산소조(20)에서의 유출수 중에 증가되어진 암모니아성 질소(NH₄-N)를 질산성 질소(NO₃-N)로 산화/전환토록 하기 위한 것으로서, 유기성 질소의 농도가 높게 유지될 경우 에어리프트펌프(2)를 이용하여 유입 원 폐수 량 대비 200% 이내로 임의성 무산소조(20)로의 반송/순환시킴으로서 함유된 분자상의 산소를 최소화시킨 후, 다음에 배치되는 무산소조(40)에서 재차 유기성 질소의 암모니아성 질소(NH₄-N)로의 분해/전환반응을 효율적으로 유도하고자 하는 것이며, 이렇게 함으로서 제1호기조(30)의 반송/순환에 의하여 발생되는 체류시간의 감소로 암모니아성 질소(NH₄-N)가 질산성 질소(NO₃-N)로 질산화되는 효율의 감소를 방지하고자 하는 것이다.

이때 상기 제2호기조(30)에도 미생물담체(5)를 충전시키면 더욱 높은 처리 효율을 얻을 수 있음은 물론이다.

상기 무산소조(40)는 상기 제1호기조(30)의 유출수 중에 증가되어진 질산성 질소(NO₃-N)의 탈질 및 잔여 유기성 질소의 암모니아성 질소(NH₄-N)로의 분해/전환을 위한 것으로, 이때 무산소조(40)라 함은 무산소 상태를 유지하기 위한 반응조가 완전히 대기와 차단되어진 것이 아니고 대기 중에 표면이 노출되어져 사실상 DO의 농도가 0.0 ~ 0.3PPM 범위에서 운전되어 완전한 혐기가 아니기 때문에, 본 발명에서는 혐기(Anaerobic), 호기(Aerobic 또는 Oxic)와의 구분을 위하여 무산소(Anoxic) 상태라고 결정하였으며, 실제로 무산소 공정을 위한 운전 DO의 농도 범위는 0.0 ~ 0.5PPM 범위로 설정한 것이다.

이때 후반에 배치되어지는 제2호기조(50)로부터 처리수가 반송/순환토록 되어 제2호기조(50)에서 미 처리된 질산성 질소와 유기물을 재차 처리할 수 있는 것 으로서, 마찬가지로 미생물담체(5)를 추가로 충전시킴으로서 더욱 높은 처리효율을 기대할 수 있는 것이다.

또한 제2호기조(50)는 최종적으로 잔류하는 오염물질을 방류기준 이내로 처리/관리하기 위하여 설치/배치되는 것으로서, 이들 중 유기성 질소와 암모니아성 질소가 총 질소(TN) 관리기준 이상일 경우는 상기 임의성 무산소조(20)로, 질산성 질소가 총 질소(TN) 기준을 초과할 경우와 유기오염물질이 관리기준을 초과할 경우는 상기 무산소조(40)로 에어리프트펌프(2)를 이용하여 각각 유입 원 폐수 량 대비 200% 이내로 반송/순환시켜 반복 처리토록 함으로서 처리효율을 향상시킬 수 있는 것이며, 마찬가지로 미생물담체(5)를 추가 충전시킴으로서 더욱 높은 처리효율을 기대할 수 있는 것이다.

이하에서는 본 발명의 처리방법 및 처리시스템을 통하여 처리된 질소계 폐수의 처리효과를 총 질소는 물론 COD의 제거효율까지도 측정한 다음의 실시 예를 통하여 보다 구체적으로 입증하여 보기로 한다.

<실시예 1>

BATCH TEST(회분식 실험)

1. 실험목적

BATCH TEST의 목적은 PILOT TEST(연속식 실험) 적용을 위한 예비단계로서 무산소 조건과 임의성 조건에서의 적정체류시간 및 제거효율을 검토하기 위해서 수행하였다.(임의성 조건 : DO 0 - 0.5ppm, 무산소 조건 : DO 0 - 0.3 ppm)

2 실험장치 및 방법

BATCH TEST에 사용된 실험장치는 <그림 2.1>에서 보는 바와 같이 아크릴을 사용하여 반응조의 유효용적이 20L가 되도록 제작하였다. 무산소 조건(A조건)의 반응조에는 교반기를 설치하였으며, 임의성 조건(B조건)의 반응조에는 조내의 DO를 적절히 조절하고, 미생물과 폐수의 균등한 혼합을 위해 조내에 산기관 1개와 AIR TUBE 1개를 각각 설치하였다.

<A조건-무산소> <B조건-임의성>

<그림 2.1> BATCH TEST 장치

<표 2.1> 폐수와 미생물 농축액의 혼합비율

조 건		분석횟수	TN폐수	미생물농축액 (MLSS 6,000mg/L)	혼합 후 MLSS농도 (mg/L)
A (무산소)	A-1	3회	5L	5L	3,000
	A-2	3회	5L	10L	4,000
B (임의성)	B-1	3회	5L	5L	3,000
	B-2	3회	5L	10L	4,000

본 실험에 사용된 폐수는 LG Philips LCD 폐수처리장의 TN폐수를 사용하였으며, 미생물은 MLSS농도가 3,000 mg/L인 폭기조의 슬러지를 2배 농축(MLSS 6,000mg/L)한 후 반응조에 A-1과 B-1의 TEST에는 MLSS 3,000 mg/L, A-2와 B-2의 TEST에는 MLSS 4,000 mg/L가 되도록 각각 주입하였다.

<표 2.1>에는 폐수와 미생물 농축액의 혼합비율을 나타내었다. <표 2.1>에 나타낸 바와 같이 BATCH TEST는 각 조건마다 3차례에 걸쳐 실험을 진행하였고, A-1과 B-1조건의 TN폐수와 미생물 농축액의 혼합비율은 TN폐수 5L에 미생물 농축액 5L를 주입하였으며, A-2와 B-2조건에서는 TN폐수 5L에 미생물 농축액 10L를 각각 주입하여 실험을 진행하였다.

또한 각 조건(A-1, A-2, B-1, B-2)에서 혼합액의 초기 농도(0hr)를 일정하게 맞추기 위해 IPA(CODMn 700,000mg/L), DEVELOPER(T-N 30,000mg/L), 공업용 요소(UREA), 질산(NO₃-N 181,000mg/L)을 각각 미량 투입하여 T-N 150mg/L, 유기성질소 70mg/L, NH₃-N 10mg/L, NO₃-N 70mg/L 정도로 농도를 조절하여 실험을 진행하였다.

무산소 조건에서는 교반기를 사용하여 DO농도를 0.0~0.2mg/L의 범위가 되도록 조절하였고, 임의성 조건에서는 공기주입량을 수시로 조절하여 DO농도를 0.2~0.6 mg/L의 범위가 되도록 하였으며, pH는 별도의 조절 없이 그대로 운전하였다.

3 결과 및 고찰

3.1 pH 및 DO농도의 변화

<그림 2.2>는 각 조건의 BATCH TEST에 의해 나타난 pH 및 DO 농도의 변화를 나타낸 것이다. <그림 2.2>에서 보듯이 A-1과 A-2조건에서의 pH는 0hr~8hr동안 6.7에서 8.6으로 급격히 상승하였으나, B-1과 B-2조건에서는 6.8~7.9로 서서히 증가하는 것으로 나타났다.

DO의 경우에는 A조건(A-1, A-2)에서는 0.1~0.2(0.15)mg/L의 범위를 보였으 며, B조건(B-1, B-2)에서는 0.2~0.4(0.3)mg/L의 범위로서 A와 B조건 모두 무산소와 임의성 조건에 적합한 것으로 나타났다.

<그림 2.2> pH 및 DO농도의 변화

3.2 유기물 및 질소 제거

<표 2.2>에는 A-1조건에서의 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제거효율을 표로 나타내었으며, <그림 2.3>에는 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화를 그래프로 나타내었다. <표 2.2>에서 보듯이 0hr, 4hr, 6hr 및 8hr의 CODMn농도는 각각 510.5mg/L, 345.7mg/L, 320.0mg/L, 269.0mg/L, 238.0mg/L이었으며, 0hr에 대한 2hr, 4hr, 6hr, 8hr의 제거효율은 32.3%, 37.3%, 47.3%, 53.4%로 나타났다.

또한, T-N의 농도(제거효율)는 150.3mg/L, 72.3mg/L(51.9%), 65.6mg/L (56.4%), 55.8mg/L(62.8%), 53.6mg/L(64.3%)이었고, 유기성질소의 농도(제거효율)는 71.1mg/L, 35.5mg/L(50.1%), 29.7mg/L(58.2%), 23.4mg/L (67.1%), 22.6mg/L(68.2%)이었으며, NO₃-N의 농도(제거효율)는 68.3mg/L, 15.2mg/L(77.7%), 11.8mg/L(82.7%), 3.8mg/L(94.4%), 1.4mg/L(97.8%)이었다. 이때 NH₄-N농도는10.9mg/L, 21.6(-98.2%)mg/L, 24.1(-121.1%)mg/L, 28.7(-163.3%)mg/L, 29.6(-171.1%)mg/L로 점차 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 유기성질소가 NH₄-N로 분해/전환되었기 때문인 것으로 판단된다.

<표 2.2> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제거효율(A-1조건)

(UNIT : mg/L)

시간(hr) 항목	0	1	2	3	4	5	6	7	8	REMARK
MLSS	2980
CODMn	510.5		345.7		320.0		269.0		238.0
R · E * (%)	-		32.3		37.3		47.3		53.4
T-N	150.3		72.3		65.6		55.8		53.6
R · E(%)	-		51.9		56.4		62.8		64.3
유기성질소	71.1		35.5		29.7		23.4		22.6
R · E(%)	-		50.1		58.2		67.1		68.2
NO3-N	68.3		15.2		11.8		3.8		1.4
R · E(%)	-		77.7		82.7		94.4		97.8
NH4-N	10.9		21.6		24.1		28.7		29.6
R · E(%)	-		-98.2		-121.1		-163.3		-171.5

※ R , E : OHr에 대한 제거효율(Removal Efficiency)

*

R · E : 0hr에 대

<그림 2.3> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화(A-1조건)

<표 2.3>에는 A-2조건에서의 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제거효율을 표로 나타내었으며, <그림 2.4>에는 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화를 그래프로 나타내었다. <표 2.3>에서 보듯이 0hr, 4hr, 6hr 및 8hr의 CODMn농도는 각각 512.7mg/L, 343.2mg/L, 315.6mg/L, 261.0mg/L, 231.1mg/L이었으며, 0hr에 대한 2hr, 4hr, 6hr, 8hr의 제거효율은 33.1%, 38.4%, 49.1%, 54.9%로 나타났다.

또한, T-N농도(제거효율)는 151.7mg/L,70.2mg/L(53.7%),56.0mg/L(63.1%), 52.3mg/L(65.5%), 49.5mg/L(67.4%)이었고, 유기성질소의 농도(제거효율)는71.9mg/L,34.1mg/L(52.6%),25.1mg/L(65.1%),16.4mg/L(77.2%), 9.4mg/L(86.9%)이었으며,NO₃-N의 농도(제거효율)는 68.6mg/L, 14.2mg/L(79.3%), 5.3mg/L(92.3%), 4.6mg/L(93.3%), 3.4mg/L(95.0%)이었다. 이때 NH₄-N 농도는 11.2mg/L, 21.9(-95.5%)mg/L, 25.6(-128.6%)mg/L, 31.3(-179.5%)mg/L, 36.8(-228.6%)mg/L로써 A-1과 마찬가지로 유기성질소가 분해/전환되어 NH₄-N의 농도가 증가하였다.

<표 2.3> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제거효율(A-2조건)

(UNIT : mg/L)

시간(hr)항목	0	1	2	3	4	5	6	7	8	REMARK
MLSS	3850
CODMn	512.7		343.2		315.6		261.0		231.1
R · E*(%)	-		33.1		38.4		49.1		54.9
T-N	151.7		70.2		56.0		52.3		49.5
R · E(%)	-		53.7		63.1		65.5		67.4
유기성질소	71.9		34.1		25.1		16.4		9.4
R · E(%)	-		52.6		65.1		77.2		86.9
NO3-N	68.6		14.2		5.3		4.6		3.4
R · E(%)	-		79.3		92.3		93.3		95.0
NH4-N	11.2		21.9		25.6		31.3		36.8
R · E(%)	-		-95.5		-128.6		-179.5		-228.6

* R · E : 0hr에 대한 제거효율(Removal Efficiency)

<그림 2.4> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화(A-2조건)

<표 2.4>에는 B-1조건에서의 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제 거효율을 표로 나타내었으며, <그림 2.5>에는 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화를 그래프로 나타내었다. <표 2.4>에서 보듯이 0hr, 4hr, 6hr 및 8hr의 CODMn농도는 각각 515.5mg/L, 330.2mg/L, 292.5mg/L, 240.0mg/L, 205.3mg/L이었으며, 0hr에 대한 2hr, 4hr, 6hr, 8hr의 제거효율은 35.9%, 43.2%, 53.4%, 60.2%로 나타났다.

또한, T-N농도(제거효율)는 148.7mg/L,70.5mg/L(52.6%),63.6mg/L(57.2%), 55.8mg/L(62.5%), 52.8mg/L(64.5%)이었고, 유기성질소의 농도(제거효율)는 69.7mg/L,33.5mg/L(51.9%),28.1mg/L(58.2%),16.4mg/L(76.5%), 11.4mg/L(83.6%)이었으며, NO₃-N의 농도(제거효율)는 69.5mg/L, 16.5mg/L (76.3%), 10.1mg/L(85.5%), 6.1mg/L(91.2%), 4.2mg/L (94.0%)이었다. 이때 NH₄-N 농도는 9.5mg/L, 20.5(-115.8)mg/L, 25.4 (-167.4)mg/L, 34.4(-262.1) mg/L, 37.2(-291.6)mg/L로써 유기성질소의 분해/전환으로 인해 NH₄-N의 농도가 점차적으로 상승하였다.

<표 2.4> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제거효율(B-1조건)

(UNIT : mg/L)

시간(hr)항목	0	1	2	3	4	5	6	7	8	REMARK
MLSS	2860
CODMn	515.5		330.2		292.5		240.0		205.3
R · E*(%)	-		35.9		43.2		53.4		60.2
T-N	148.7		70.5		63.6		55.8		52.8
R · E(%)	-		52.6		57.2		62.5		64.5
유기성질소	69.7		33.5		28.1		16.4		11.4
R · E(%)	-		51.9		58.2		76.5		83.6
NO3-N	69.5		16.5		10.1		6.1		4.2
R · E(%)	-		76.3		85.5		91.2		94.0
NH4-N	9.5		20.5		25.4		34.4		37.2
R · E(%)	-		-115.8		-167.4		-262.1		-291.6

* R · E : 0hr에 대한 제거효율(Removal Efficiency)

<그림 2.5> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화(B-1조건)

<표 2.5>에는 B-2조건에서의 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제거효율을 표로 나타내었으며, <그림 2.6>에는 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화를 그래프로 나타내었다. <표 2.5>에서 보듯이 0hr, 4hr, 6hr 및 8hr의 CODMn농도는 각각 512.1mg/L, 328.2mg/L, 276.7mg/L, 233.9mg/L, 197.2mg/L이었으며, 0hr에 대한 2hr, 4hr, 6hr, 8hr의 제거효율은 35.9%, 46.0%, 54.3%, 61.5%로 나타났다.

또한, T-N의 농도(제거효율)는 153.9mg/L, 69.3mg/L(54.9%), 61.4mg/L (60.1%), 51.7mg/L(66.4%), 48.8mg/L(68.3%)이었고, 유기성질소의 농도(제거효율)는76.2mg/L, 29.3mg/L(61.5%), 23.5mg/L(69.2%), 7.5mg/L (90.2%), 4.1mg/L(94.6%)이었으며, NO₃-N의 농도(제거효율)는 67.2mg/L, 18.3mg/L (72.8%), 13.8mg/L(79.5%), 8.8mg/L(86.9%), 6.4mg/L(90.5%)이었다. 이때 NH₄-N농도는 10.5mg/L, 21.7(-106.7%)mg/L, 24.1(-129.5%)mg/L, 35.4 (-237.1%) mg/L, 38.3(-264.8%)mg/L로써 NH₄-N의 농도가 증가하였는데, 이는 유기성질소가 분해/전환된 것으로 판단된다.

<표 2.5> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화 및 제거효율(B-2조건)

(UNIT : mg/L)

시간(hr)항목	0	1	2	3	4	5	6	7	8	REMARK
MLSS	4050
CODMn	512.1		328.2		276.7		233.9		197.2
R · E*(%)	-		35.9		46.0		54.3		61.5
T-N	153.9		69.3		61.4		51.7		48.8
R · E(%)	-		54.9		60.1		66.4		68.3
유기성질소	76.2		29.3		23.5		7.5		4.1
R · E(%)	-		61.5		69.2		90.2		94.6
NO3-N	67.2		18.3		13.8		8.8		6.4
R · E(%)	-		72.8		79.5		86.9		90.5
NH4-N	10.5		21.7		24.1		35.4		38.3
R · E(%)	-		-106.7		-129.5		-237.1		-264.8

* R · E : 0hr에 대한 제거효율(Removal Efficiency)

<그림 2.6> 시간대별 CODMn과 질소계열의 농도 변화(B-2조건)

이상의 결과를 종합해 보면 MLSS가 3,000mg/L일 때 A-1, B-1의 유기성질소는 각각 68.2%, 83.6%제거되었고, MLSS가 4,000mg/L인 A-2, B-2의 유기성질소는 각각 86.4%, 94.6%제거되었으며, 각 조건에서 NH₄-N는 원수에 비해 약 1.7~2.9배 증가한 것으로 나타났다. BATCH TEST를 통한 실험에서 A-2(DO 0.15ppm, MLSS 4,000ppm),B-2(DO 0.3ppm, MLSS 4,000ppm)조건 모두 유기성 질소를 함유한 고농도의 산업폐수의 총 질소처리에 최적인 것으로 나타났으며, 이를 바탕으로 해서 PILOT TEST(연속식)의 조건을 설정하였다.

아울러 MLSS 농도를 증가시키면 처리효율을 증가시킬 수 있다는 판단에 의거 현수식 미생물담체(RING LACE) 사용이 유효하다고 판단 됨.

산업폐수는 오염물질 성분 및 부하량의 변화가 비교적 심한 편이므로 전반부의 무 산소 영역 처리 조에는 임의성 조건 유지를 위한 저효율 산기관과 무산소 조건 유지를 위한 교반장치를 병설하고 조건 변화에 대응할 수 있도록 하는 것이 유효하다고 판단하였음.

<실시예2>

PILOT TEST(연속식 실험)

1. 실험목적

BATCH TEST에 의해 나타난 적정한 체류시간으로 무산소조를 포함한 연속식 실험을 진행하여 질소제거에 있어서 유기성질소가 암모니아성 질소로의 분해/전환이 용이하도록 최적의 처리SYSTEM을 구축하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

PILOT TEST에 사용된 실험 장치는 <그림 3.1>에서 보는 바와 같이 집수조, 임의성 무산소조(제1무산소조, 제2무산소조, 제3무산소조), 제1호기조(호기조-Ⅰ,Ⅱ), 무산소조(제4무산소조-Ⅰ,Ⅱ), 제2호기조(호기조-Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ), 침전조로 구성되어 있으며, 각각의 반응조를 여러 개의 조로 분할한 것은 토목구조의 대규모 시설을 축소한 모형시설이기 때문이다.

P : PUMP E : 제1호기조-Ⅰ J : 제2호기조-Ⅱ

A : 집수조 F : 제1호기조-Ⅱ K : 제2호기조-Ⅲ

B : 제1무산소조 G : 제4무산소조-Ⅰ L : 침전조

C : 제2무산소조 H : 제4무산소조-Ⅱ

D : 제3무산소조 I : 제2호기조-Ⅰ

<그림 3.1> PILOT TEST 장치

원수 TANK는 용적이 200L로써 폐수처리장 pH조정조의 TN폐수를 저장해 두었다가 임의성 무산소조로 이송하기 위해서 설치하였다. 무산소조 및 호기조는 각각 가로 150mm, 세로 200mm, 높이 600mm로서 조의 유효용적이 15L가 되도록 PVC로 제 작하였다. 또한 제1무산소조에는 적절한 DO농도 조절, 폐수와 미생물의 원활한 혼합을 위해서 AGITATOR 및 AIR TUBE(저 효율 산기관; 공기 교반 목적)를 각각 설치하였고, 호기조에는 산기관 1개와 AIR TUBE 1개를 설치하였다.

각각의 반응조에는 고착성 MLSS에 의한 전체 MLSS 농도를 증가시키기 위하여 충진율 3 - 4% 기준으로 PVDC 재질의 현수식 미생물 담체(RING LACE)를 설치하여 처리효율의 증가를 기대하고, 설치 및 미설치 경우를 대비 실시하였으며 미생물 담체는 각조에 RING LACE-35 기준으로 4M씩 총 40M를 설치하였다.

<표 3.1>에는 운전기간 동안 PILOT 장치의 운전조건을 나타내었다. 무산소조 및 호기조의 용적은 각각 15L로서 생물반응조의 전체 용적은 150L이다. 유입유량 Q는 240L/day이었고, 생물반응조의 전체 체류시간은 15hr 이고, MLSS 농도는 미생물 담체를 설치하지 아니할 경우는 부유성 MLSS 농도4,000mg/L 유지를 기준하였으며, 미생물 담체를 설치한 경우는 부유성 MLSS 농도 4,000mg/L과 미생물 담체에 부착한 MLSS 1,500mg/L을 합산한 총 MLSS 농도를 5,500mg/L 유지를 기준 하였으며, 반응조의 미생물 농도 유지를 위해 슬러지 반송은 미생물 담체를 설치하지 않은 경우는 유입유량의 100%를 기준으로 운전하고, 미생물 담체를 설치한 경우는 유입유량의 50%를 기준으로 운전함으로서 슬러지 체류시간이 최대가 되도록 하였다.

이때 평균 용적부하는 5.8kg-CODcr/㎥.일을 기준 하였으며, F/M비는 담체를 설치하지 아니한 경우는 평균 0.9kg-CODcr/kg-MLSS.일을 기준하였으며, 담체를 설치한 경우는 0.65kg-CODcr/kg-MLSS.일을 기준하였다.

또한 생물반응조는 무산소 및 호기조건을 유지하기 위해 교반 정도 및 공기 주입량을 수시로 조절하여 DO농도를 각각 0.1~0.8mg/L, 0.0~0.2mg/L, 1.0~2.5mg/L의 범위가 되도록 조절하여 유기성질소가 암모니아성 질소로의 원활한 분해/전환이 되도록 운전하였으며, pH는 7.4~8.2가 되도록 운전하였다.

<표 3.1-1> PILOT TEST 운전조건(미생물 담체 설치하지 아니함)

항 목		운 전 조 건	비 고
운전기간		27 일간
유량		240L/DAY
DO	제1,2무산소조	0.1 ~ 0.8 mg/L
	제3무산소조	0.0 ~ 0.2 mg/L
	제4무산소조	0.0 ~ 0.2 mg/L
	호기조	1.0 ~ 2.5 mg/L
HRT		15 hr
MLSS		4,000 mg/L
pH		7.5 ~ 8.1

<표 3.1-2> PILOT TEST 운전조건(미생물 담체 설치함)

항 목		운 전 조 건	비 고
운전기간		27 일간
유량		240L/DAY
DO	제1,2무산소조	0.1 ~ 0.8 mg/L
	제3무산소조	0.0 ~ 0.2 mg/L
	제4무산소조	0.0 ~ 0.2 mg/L
	호기조	1.0 ~ 2.5 mg/L
HRT		15 hr
MLSS		5,500(4,000/부유+1,500/고착) mg/L	고착성 MLSS 포함
pH		7.4 ~ 8.2

3. 결과 및 고찰

3.1 pH 및 DO 농도 변화

<표 3.2>에는 생물반응조별 pH 및 DO 농도를 나타내었으며, <그림 3.2>에는 생물반응조의 pH 및 DO 농도변화를 나타내었다. pH는 미생물 담체를 설치하지 아니한 경우에는 원수 7.4, 제1무산소조 8.0, 제3무산소조 8.1, 제1호기조-Ⅱ 8.1, 제4무산소조-Ⅱ 7.7, 제2호기조-Ⅱ 8.0, 유출수 7.5이었고, DO 농도는 제1무산소조 0.5mg/L, 제3무산소조 0.1mg/L, 제1호기조-Ⅱ 1.9mg/L, 제4무산소조-Ⅱ 0.1mg/L, 제2호기조-Ⅱ 2.0mg/L로 나타났다.

미생물 담체를 설치한 경우는 원수 7.4, 제1무산소조 8.1, 제3무산소조 8.2, 제1호기조-Ⅱ 8.1, 제4무산소조-Ⅱ 7.8, 제2호기조-Ⅱ 8.0, 유출수 7.8이었고, DO 농도는 담체를 설치하지 아니한 경우 제1임의조 0.6mg/L, 제1혐기조 0.25mg/L, 제1호기조-Ⅱ 1.9mg/L, 제2혐기조-Ⅱ 0.25mg/L, 제2호기조-Ⅱ 2.0mg/L이었고, 담체를 설치한 경우는 제1임의조 0.5mg/L, 제1혐기조 0.1mg/L, 제1호기조-Ⅱ 1.9mg/L, 제2혐기조-Ⅱ 0.1mg/L, 제2호기조-Ⅱ 2.0mg/L로서 담체를 설치한 경우가 무 산소 조건의 유지에 유리한 것으로 나타났다.

이는 담체에 부착한 미생물 막의 가장 안쪽은 혐기에 가까운 상태로서 수면에서 예상되는 표면포기 효과를 상쇄시키는 것으로 판단된다.

<표 3.2.1> pH 및 DO농도의 변화(미생물 담체 설치하지 아니한 경우)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
pH	6.8~7.9 (7.4)	7.4~8.7 (8.0)	7.3~9.4 (8.1)	7.2~8.6 (8.1)	7.4~8.8 (7.7)	7.5~8.4 (8.0)	7.3~8.2 (7.5)
DO mg/L	-	0.2~0.8 (0.6)	0.0~0.4 (0.25)	0.7~4.4 (1.9)	0.0~0.2 (0.25)	0.6~3.8 (2.0)	-

( ) : 평균치

<그림 3.2.1> 유입 수 및 처리수의 pH 변화

<표 3.2.2> pH 및 DO농도의 변화(미생물 담체 설치 경우)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
pH	6.8~7.9 (7.4)	7.4~8.7 (8.1)	7.3~9.4 (8.2)	7.2~8.6 (8.1)	7.4~8.8 (7.8)	7.5~8.4 (8.0)	7.3~8.2 (7.8)
DO mg/L	-	0.1~0.8 (0.5)	0.0~0.2 (0.1)	0.7~4.4 (1.9)	0.0~0.2 (0.1)	0.6~3.8 (2.0)	-

( ) : 평균치

<그림 3.2.2> 유입 수 및 처리수의 pH 변화

3.2 CODcr 농도 변화 및 제거효율

<표 3.3>에는 CODcr제거효율를 나타내었으며, <그림 3.3>에는 CODcr제거효율의 변화를 나타내었다. 미생물 담체를 설치하지 아니한 경우 원수의 농도는2,655~4,954(평균 3,737)mg/L이었고, 유출수의 농도는 510.2~1,856.3(평균 894.9)mg/L로서 CODcr 제거효율은 최저 51.1%, 최고 85.6%, 평균 처리효율은 72.7%로 나타났다.

미생물 담체를 설치한 경우 원수의 농도는2,655~4,954(평균 3,737)mg/L이었고, 유출수의 농도는 98.5~1,227(평균 398)mg/L로서 CODcr 제거효율은 최저 66.1%, 최고 97.1%, 평균 처리효율은 89.7%로 나타났다.

따라서 미생물 담체를 설치한 경우가 우수한 것으로 나타났다.

<표 3.3.1> CODcr 제거효율(미생물 담체를 설치하지 아니한 경우)

실험기간	농도(mg/L)		제거효율 (%)
	원수	유출수
27 일간	2,655 ~ 4,954 (3,599)	510.2 ~ 1,856.7 (894.9)	51.7~85.6 (72.7)

( ) : 평균치

<그림 3.3.1> CODcr 제거효율 변화

<표 3.3.2> CODcr 제거효율(미생물 담체 설치한 경우)

실험기간	농도(mg/L)		제거효율 (%)
	원수	유출수
27 일간	2,655~4,954 (3,599)	95.8~1,227 (383)	66.1~97.1 (86.3)

( ) : 평균치

<그림 3.3.2> CODcr 제거효율 변화

<표 3.4>에는 생물반응조의 CODcr농도를 나타내었으며, <그림 3.4>에는 생물반응조의 CODcr 변화를 나타내었다. 미생물 담체를 설치하지 아니한 경우 원수에 대한 생물반응조의 CODcr농도는 제1무산소조 2,134.2mg/L, 제3무산소조 1,875.7mg/L, 제1호기조-Ⅱ 1,498.5mg/L, 제4무산소조-Ⅱ 1,170.2mg/L, 제2호기조-Ⅱ 900.7mg/L이었고, 담체를 설치한 경우의 생물반응조의 CODcr 농도는 제1무산소조 1,125mg/L, 제3무산소조 973mg/L, 제1호기조-Ⅱ 681mg/L, 제4무산소조-Ⅱ 560mg/L, 제2호기조-Ⅱ 446mg/L 이었다.

이러한 각 단계별 처리효율의 차이는 담체의 설치 유무와 상관이 있지만, 아울러 총 질소(TN)가 탈질 되면서 많은 량의 유기물을 소모한 결과로 판단하였다.

<표 3.4.1> 생물반응조별 CODcr농도(미생물 담체를 설치하지 아니한 경우)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호 기조 -Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
CODcr mg/L	2,655~4,954 (3,737)	1,947~3,643 (2,134.2)	1,573~3,276 (1,875.7)	1,103~2,991 (1,498.5)	780.2~2,523 (1,170.2)	514~1,897 (900.7)	510.2~1,856 (894.9)

<그림 3.4.1> 생물반응조의 CODcr 변화

<표 3.4.2> 생물반응조별 CODcr농도(미생물 담체 설치한 경우)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조 -Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
CODcr mg/L	2,655~4,954 (3,737)	138~2,233 (1,125)	173~2,098 (973)	58.2~1,591 (681)	40.2~1,523 (560)	114~1,347 (446)	98.5~1,227 (383)

( ) : 평균치

<그림 3.4.2> 생물반응조의 CODcr 변화

3.3. CODMn 농도 변화 및 제거효율

<표 3.5>에는 CODMn제거효율을 나타내었으며, <그림 3.5>에는 CODMn제거효율의 변화를 나타내었다. 원수의 농도는 919~1,286(평균 1,119)mg/L이었고, 유출수의 농도는 담체를 설치하지 아니한 경우 145.3~497.8(평균 258.6)mg/L로서 CODMn 제거효율은 최저 58.9%, 최고 86.5%, 평균 처리효율은 77.1%로 나타났고, 담체를 설치한 경우 24.3~340(평균 99.3)mg/L로서 CODMn 제거효율은 최저 71.9%, 최고 97.5%, 평균 처리효율은 91.4%로 나타났다.

마찬가지로 미생물 담체를 설치하는 것이 유리함을 알 수 있다.

<표 3.5.1> CODMn 제거효율(미생물 담체 설치하지 아니한 경우)

실험기간	농도(mg/L)		제거효율 (%)
	원수	유출수
27 일간	919~1,286 (1,119)	145.3~497.8 (258.6)	58.9~86.5 (77.1)

( ) : 평균치

<그림 3.5.1> CODMn 제거효율 변화

<표 3.5.2> CODMn 제거효율(미생물 담체 설치한 경우)

실험기간	농도(mg/L)		제거효율 (%)
	원수	유출수
27 일간	919~1,286 (1,119)	24.3~340 (99.3)	71.9~97.5 (91.4)

( ) : 평균치

<그림 3.5.2> CODMn 제거효율 변화

<표 3.6>에는 생물반응조의 CODMn농도를 나타내었으며, <그림 3.6>에는 생물반응조의 CODMn 변화를 나타내었다. 원수에 대한 생물반응조의 CODMn농도는 담체를 설치하지 아니한 경우 제1무산소조 889.5mg/L, 제3무산소조 542.1mg/L, 제1호기조-Ⅱ 465.8mg/L, 제4무산소조-Ⅱ 354.2mg/L, 제2호기조-Ⅱ 266.8mg/L이었고, 담체를 설치한 경우는 제1무산소조 416mg/L, 제3무산소조 300mg/L, 제1호기조-Ⅱ 277.6mg/L, 제4무산소조-Ⅱ 181.3mg/L, 제2호기조-Ⅱ 106.8mg/L이었다.

<표 3.6.1> 생물반응조별 CODMn농도

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
CODMn mg/L	919 ~ 1,286 (1,119)	568.5 ~1,237 (846)	375.3~867 (663)	243.5~788 (578)	183.7~665 (386)	149.4 ~505.9 (267)	145.3~497.8 (258.6)

( ) : 평균치

<그림 3.6.1> 생물반응조의 CODMn 변화

<표 3.6.2> 생물반응조별 CODMn농도

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
CODMn mg/L	919~1,286 (1,119)	68.5~1,103 (416)	67.3~580 (300)	78.4~549 (278)	63.6~469 (181)	49.4~438 (107)	37.3~347 (99)

( ) : 평균치

<그림 3.6.2> 생물반응조의 CODMn 변화

3.4 T-N, 유기성질소, NH₃-N, NO3-N 농도변화 및 제거효율

<표 3.7>에는 T-N제거효율, <그림 3.7>에는 T-N제거효율의 변화를 나타내었다. 원수의 농도는 148~385(평균 257)mg/L이었고, 담체를 설치하지 아니한 경우 유출수의 농도는 70.9~99.5(평균 87.3)mg/L로서 T-N제거효율은 최저 34.3%, 최고 77.4%, 평균 처리효율은 64.3%로 나타났고, 담체를 설치한 경우는 7.0~68(평균 38.9)mg/L로서 T-N제거효율은 최저 76.5%, 최고 96.3%, 평균 처리효율은 84.9%로 나타났다.

처리효율의 현저한 차이는 담체를 설치하는 것이 유리할 뿐만 아니라 담체에 부착된 미생물 막의 가장 안쪽이 혐기성에 준하기 때문에 안정된 무 산소 조건이 유지될 수 있는 것이며 이러한 특성을 이용하는 것이 중요한 운전/관리 요소임을 알 수 있다.

<표 3.7.1> T-N 제거효율(미생물 담체를 설치하지 아니한 경우)

실험기간	농도(mg/L)		제거효율 (%)
	원수	유출수
27 일간	148~385 (257)	70.9~99.5 (87.3)	34.3~77.4 (64.3)

( ) : 평균치

<그림 3.7.1> T-N 제거효율 변화

<표 3.7.2> T-N 제거효율(미생물 담체를 설치한 경우)

실험기간	농도(mg/L)		제거효율 (%)
	원수	유출수
27 일간	148~385 (257)	7.0~68 (38.9)	76.5~96.3 (84.9)

( ) : 평균치

<그림 3.7.2> T-N 제거효율 변화

<표 3.8>에는 생물반응조의 T-N농도를 나타내었으며, <그림 3.8>에는 생물반응조의 T-N 변화를 나타내었다. 원수에 대한 생물반응조의 T-N농도는 담체를 설치하지 아니한 경우 제1무산소조 154.2mg/L, 제3무산소조 141.6mg/L, 제1호기조-Ⅱ 139.6mg/L, 제4무산소조-Ⅱ 115.6mg/L, 제2호기조-Ⅱ 91.1mg/L이었고, 담체를 설치한 경우는 제1무산소조 130mg/L, 제1무산소조 85.6mg/L, 제1호기조-Ⅱ 80.6mg/L, 제4무산소조-Ⅱ 43.6mg/L, 제2호기조-Ⅱ 40.2mg/L이었다.

<표 3.8.1> 생물반응조별 T-N농도(미생물 담체를 설치하지 아니한 경우)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
T-N (mg/L)	148~385 (257)	146.2~234 (154.2)	134.5~166 (141.6)	121.2~152 (139.6)	97.4~125 (115.6)	76.2~104 (91.1)	70.9~99.5 (87.3)

( ) : 평균치

<그림 3.8.1> 생물반응조의 T-N 변화

<표 3.8.2> 생물반응조별 T-N농도(미생물 담체를 설치한 경우)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
T-N (mg/L)	148~385 (257)	66.3~144 (130)	40.5~101 (85.6)	31.2~95 (80.6)	21.7~87 (43.6)	10.2~75 (40.2)	7.0~68 (38.9)

( ) : 평균치

<그림 3.8.2> 생물반응조의 T-N 변화

<표 3.9>에는 생물반응조의 유기성질소, NH₄-N, NO₃-N 농도를 나타내었으며, <그림 3.9>에는 생물반응조의 유기성질소, NH₄-N, NO₃-N 변화를 나타내었다. 원수에 대한 생물반응조의 유기성질소 농도는 제1임의조 95.2mg/L, 제1혐기조 38.7mg/L, 제1호기조-Ⅱ 27.7mg/L, 제2혐기조-Ⅱ 15.6mg/L, 제2호기조-Ⅱ 5.4mg/L이었고, NH4-N 농도는 제1임의조 28.5mg/L, 제1혐기조 45.3mg/L, 제1호기조- Ⅱ 17.6mg/L, 제2혐기조- Ⅱ 25.5mg/L, 제2호기조- Ⅱ 15.3mg/L이었으며, NO₃-N 농도는 제1임의조 6.5mg/L, 제1혐기조 1.6mg/L, 제1호기조-Ⅱ 35.3mg/L, 제2혐기조-Ⅱ 2.5mg/L, 제2호기조-Ⅱ 19.5mg/L이었다.

<표 3.9.1> 생물반응조별 유기성질소, NH₃-N, NO₃-N 농도(담체 미설치)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
유기성 질소 (mg/L)	87.5~285(157)	35.4~189 (95.2)	39.4~152 (88.7)	24.8~124 (76.7)	30.6~97 (65.6)	25.4~95.2 (56.3)	20.1~94.5 (54.2)
NH4-N (mg/L)	9.8~39.3 (19.9)	26.5~70.7 (48.5)	18.2~58.4 (45.3)	7.9~64.1 (27.6)	17.5~48.1 (45.5)	11.6~37.8 (20.3)	10.8~35.1 (20.0)
NO3-N (mg/L)	0.0~183 (80.1)	5.0~19.3 (10.5)	2.0~12.3 (7.6)	5.0~19.1 (35.3)	1.0~9.6 (4.5)	7.0~19.2 (14.5)	5.0~18.4 (13.1)

<그림 3.9> 생물반응조의 유기성질소, NH₄-N, NO₃-N 변화

<표 3.9> 생물반응조별 유기성질소, NH₃-N, NO₃-N 농도(담체 설치)

	원수	제1무산소조	제3무산소조	제1호기조-Ⅱ	제4무산소조-Ⅱ	제2호기조-Ⅱ	유출수
유 기성 질소 (mg/L)	87.5~285(157)	35.4~89 (55.2)	19.4~52 (38.7)	14.8~34 (27.7)	3.6~17 (5.6)	2.4~19.6 (5.4)	1.1~14.3 (5.3)
NH4-N (mg/L)	9.8~39.3 (19.9)	6.5~70.7 (28.5)	8.2~58.4 (45.3)	10.9~34.1 (17.6)	7.5~28.1 (25.5)	6.6~27.5 (15.3)	5.8~25.1 (15.1)
NO3-N (mg/L)	0.0~183 (80.1)	0.0~19.3 (6.5)	0.0~9.4 (1.6)	3.0~39.1 (35.3)	1.0~6.6 (2.5)	4.0~29.2 (19.5)	3.0~23.4 (18.5)

<그림 3.9> 생물반응조의 유기성질소, NH₄-N, NO₃-N 변화

PILOT TEST의 결과를 종합해 보면 1단계 무 산소공정(제1,2,3무산소조)의 유기성질소 제거효율은 약 75.3%이었으며, NH₄-N는 약 2.3배 증가하는 것으로 나타났다. 이는 고착성 MLSS 증가를 위하여 PVDC 재질의 현수식 미생물 담체(RING LACE)를 설치한 연속식 PILOT PLANT TEST가 미생물 담체를 설치하지 않고 부유성 MLSS만를 4,000mg/L로 유지하며 실시한 TEST 결과보다 우수하였으며, 실제 PLANT에도 적용 가능함을 알 수 있었다.

4. 결 론

임의성 공정을 포함한 BATCH TEST(회분식 실험)와 PILOT TEST(연속식 실험)를 통하여 유기성질소의 처리성능에 대하여 조사 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. MLSS를 4,000mg/L로 유지한 상태에서 A조건(무산소)과 B조건(임의성)으로 BATCH TEST를 한 결과, 8hr기준일 때 무산소조건 및 임의성조건 모두 유기성질소 제거율은 68% 이상으로서 유기성질소를 먼저 NH₄-N으로 분해/전환시키는 것이 고농도의 총 질소를 함유한 산업폐수 처리 SYSTEM으로 선정할 수 있음을 확인하였다.

2. BATCH TEST에서 나타난 조건을 바탕으로 하여 PILOT TEST를 실시한 결과, 1단계 무산소 처리공정을 거치는 동안 T-N은 약 66.7%, 유기성질소는 약 75.4% 제거되었으며, 전체 시스템에서 T-N과 유기성 질소의 제거효율은 각각 84.9%, 96.6%로써 높은 제거효율을 보였다.

이는 PVDC 재질의 현수식 미생물 담체(RING LACE)를 설치하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있었다.

3. BATCH TEST 및 PILOT TEST를 실시한 결과 1단계 무산소 및 호기공정, 2단계 무산소 및 호기공정을 조합한 시스템에서 무산소 공정이 질소제거에 중요할 뿐만 아니라 유기성질소의 제거(암모니아성 질소로 분해/전환)에도 매우 효율적임을 알 수 있었다.

특히 전반부의 무산소 처리공정에도 미생물 담체를 설치할 경우 유기성 질소를 포함한 총 질소 및 높은 오염부하의 산업폐수처리가 매우 효율적으로서 원 폐수 중에 함유된 유기 오염물질을 효과적으로 이용할 수 있는 시스템임을 알 수 있었다.

아울러 최종처리 수질의 안정적인 관리를 위하여 후반부에 미생물 담체로 충전된 무산소, 호기조의 배열이 효율적임을 알 수 있었고, 유기성 질소를 전반부의 제1무산소 공정에서 중점적으로 처리하는 것이 방류수질의 안정적인 관리에 유 리하다는 것을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 유기성 질소가 다량 포함된 고농도 산업폐수의 경우, 유기성 질소의 완전 분해가 가능하여 방류수의 총 질소(TN : Total Nitrogen) 제거를 극대화시킬 수 있는 것이다.

Claims (11)

1. 유입되는 폐수의 성상에 따라 호기 상태로의 운영이 가능토록 된 임의성 무산소 공정을 통하여 원 폐수 중에 포함되어진 유기성 질소를 NH₄-N의 형태로 변화시켜 안정화시킴과 동시에 탈질반응을 통한 NO₃-N의 제거가 가능토록 하는 1차 처리단계와,

   상기 1차 처리단계의 임의성 무 산소공정을 통하여 변환된 NH₄-N를 NO₃-N로 질산화시키 위한 2차 처리단계와,

   상기 2차 처리단계의 호기 공정에서 질산화된 중간 처리수를 무산소 공정을 통하여 탈질시켜 원 폐수 중에 포함된 대부분의 유기성 질소를 순차적으로 분해시켜 안정적인 처리를 유도토록 하기 위한 3차 처리단계와,

   상기 3차 처리단계의 호기 공정을 통하여 미 처리된 여분의 유기성 질소의 추가 변화 및 NH₄-N의 질산화 반응이 일어나도록 하여 다시 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정으로 반송/순환시켜 처리할 수 있도록 한 4차 처리단계를 포함하는 유기성 질소계 폐수의 처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정은 원 폐수 중에 포함된 질소 중 암모니아성 질소가 높을 경우에만 호기성 조건으로 운전토록 함을 특징으로 하는 유기성 질소계 폐수의 처리방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정에서의 미생물 공급은 상기 4차 처리단계 공정 이후에 발생되는 유출수 중에 포함된 오니를 침전시켜 반송/순환시킴을 특징으로 하는 유기성 질소계 폐수의 처리방법.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정은 호기 상태로의 운전도 가능토록 되는 제1무산소 공정과, 무산소 상태만의 운전이 가능토록 되는 제2무산소 공정 및 제3무산소 공정이 순차적으로 이루어지도록 운영됨을 특징으로 하는 유기성 질소계 폐수의 처리방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 1차 처리단계의 임의성 무 산소공정으로부터 배출되는 유출수의 유기성 질소의 농도가 비정상적으로 높게 유지될 경우 상기 1차 처리단계의 제2무산소 공정으로 반송/순환시킴을 특징으로 하는 유기성 질소계 폐수의 처리시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 4차 처리단계의 호기 공정으로부터 배출되는 유출수는 유기성 질소와 암모니아성 질소의 농도가 관리대상 총 질소(TN) 농도의 기준치를 초과할 경우 상기 1차 처리단계의 임의성 무산소 공정으로 반송/순환시키고, 질산성 질소의 농도가 관리대상 총 질소(TN) 농도의 기준를 초과할 경우와 유기오염물질이 관리기준을 초과할 경우는 상기 3차 처리단계의 무산소 공정으로 반송/순환시킴을 특징으로 하는 유기성 질소계 폐수의 처리시스템.
7. 원 폐수의 일시 저장용 집수조(10)와, 교반장치(3)와 산기장치(4)가 장착된 임의성 무산소조(20)와, 산기장치(4)가 장착된 제1호기조(30)와, 교반장치(3)가 장착된 무산소조(40)와, 산기장치(4)가 장착된 제2호기조(50)와, 상기 제2호기조(50)의 유출수 중에 포함된 오니를 상등수와 분리하여 침전토록 하기 위한 침전조(60)를 순차적으로 배치 구성되고, 상기 임의성 무산소조(20)는 교반장치(3)와 산기장치(4)가 장착되는 제1무산소조(21)와, 교반장치(3)가 장착되는 제2무산소조(22)와, 교반장치(3)가 장착되는 제3무산소조(23)로 구분됨을 특징으로 하는 유기성 질소계 폐수의 처리시스템.
8. 제 7항에 있어서, 상기 임의성 무산소조(20)에는 미생물담체(5)가 충진됨을특징으로 하는 유기성 질소계 폐수의 처리시스템.
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