KR100721682B1 - 유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 연속 흐름식 완전 혼합반응조(Continuance Flow Stirred Tank Reactor; 이하 CFSTR)를 이용하여 유기물 및 질소화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오/폐수를 연속흐름식 완전 혼합 반응조(CFSTR)에 유입시켜 유기물 및 질소 화합물을 제거한 후 침전조로 이송하여 처리하는 오/폐수의 처리방법으로서, 상기 연속흐름식 완전 혼합 반응조 내의 용존산소(DO) 농도를 0.4 내지 0.6 mg/L의 범위로 유지하여 하나의 반응조 내에서 질산화 및 탈질화가 동시에 이루어지는 단계;를 포함하며, 총질소제거율이 60% 이상인 유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의 처리방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 하나의 반응조에서 질산화 및 탈질화 반응이 동시에 유도되기 때문에 처리 설비가 단순화될 수 있으며, 추가 건설 없이 기존의 처리 시설에 적용할 수 있다.

CFSTR, 활성 슬러지, 산화, 질산화, 탈질, 동시 질산ㆍ탈질, 호기성 탈질

Description

유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의 처리방법{A TREATMENT METHOD OF WASTEWATER FOR REMOVING ORGANICS AND NITROGEN COMPOUNDS SIMULTANEOUSLY IN A SINGLE REACTOR)}

도 1은 종래 사용되는 CFSTR 반응조를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명의 처리방법에 사용되는 동시 질산ㆍ탈질 CFSTR 반응조를 포함하는 오/폐수 처리장치를 도시한 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 동시ㆍ질산 탈질 반응조 내의 활성 슬러지 플록(floc)의 모식도.

도 4는 용존산소(DO) 농도 변화에 따른 암모니아성 질소의 제거 양상을 도시한 그래프.

도 4는 DO 농도 변화에 따른 질산성 질소의 변화 양상을 도시한 그래프.

도 5는 DO 농도 변화에 따른 총질소의 제거 양상을 도시한 그래프.

도 6은 DO 농도 변화에 따른 COD의 제거 양상을 도시한 그래프.

도 7은 HRT 변화에 따른 암모니아성 질소의 제거 양상을 도시한 그래프.

도 8은 HRT 변화에 따른 질산성 질소의 변화 양상을 도시한 그래프.

도 9는 HRT 변화에 따른 총질소의 제거 양상을 도시한 그래프.

도 10은 HRT 변화에 따른 COD의 제거 양상을 도시한 그래프.

도 11은 HRT 변화에 따른 COD의 제거양상을 나타낸 그래프.

도 12는 C/N비 변화에 따른 암모니아성 질소의 제거 양상을 나타내는 그래프.

도 13은 C/N비 변화에 따른 질산성 질소의 변화 양상을 나타낸 그래프.

도 14는 C/N비 변화에 따른 총질소의 제거 양상을 나타낸 그래프.

도 15는 C/N비 변화에 따른 COD의 제거양상을 도시한 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1... 컴퓨터 2... 컨트롤 박스 3... 패널 박스

4... 블로워 5... 동시 질산ㆍ탈질 CFSTR

6... 믹서 7... 산기석 8... 침전조

9... DO 센서 10... ORP, pH, 온도 센서

본 발명은 유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연속 흐름식 완전 혼합 반응조(Continuance Flow Stirred Tank Reactor: 이하 CFSTR) 내부의 용존산소(DO)를 제어함으로써 CFSTR 내의 동시 질산ㆍ탈질 반응을 통해 오/폐수의 유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의 처리방법에 관한 것이다.

수중의 용존 질소는 유기 질소 및 암모니아성 질소가 아질산성 질소 및 질산 성 질소로 산화되는 질산화 과정, 및 질산성 질소가 아질산성 질소 및 아산화 질소를 거쳐 최종적으로는 질소 가스로 탈기되는 탈질 과정을 거쳐 제거된다. 일반적으로 전자는 호기성 상태, 후자는 혐기성 상태에서 일어나기 때문에 질산화 및 탈질을 위해서는 각각의 조건에 맞는 반응조를 따로 설치하는 공간 분할적 공법(예를 들면, A2O)과 시간의 흐름에 따라 호기성 및 무산소 조건을 교대로 운전하는 시간 분할적 공법(예를 들면, SBR)이 주로 이용되고 있는 실정이다.

하지만, 공간 분할적 공법은 다수의 반응조를 요하므로 부지 면적의 증대를 야기시킬 수 있고, 시간 분할적 공법은 회분식으로 구성되어 있어 하수의 연속적인 처리가 어려운 단점이 있다.

그렇기 때문에, 현재 대부분의 국내 하수 처리 시스템은 활성 슬러지 공정 중 고농도 폐수의 충격을 저감할 수 있으며 운전이 용이한 CFSTR식 활성 슬러지 공정을 주로 사용한다.

도 1은 기존 CFSTR식 활성 슬러지 공정을 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하여 CFSTR 공정을 설명하면, 장방형 반응조(5)에 활성슬러지를 약 3000mg/L의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids) 농도로 넣고 일정 시간 동안 배양한다. 이때, 오/폐수는 유입 펌프에 의해 반응조(5)로 유입되고 유입 즉시 완전 혼합이 이루어진다. 이후, 처리수의 유기물 제거 및 질산화를 위하여, 블로워(blower)(4)를 작동하여 산기석(7)을 통해 반응조 내에 산소를 공급하여 호기성 상태로 운전한다. 기존 CFSTR식 활성 슬러지 공정에서는 지속적인 폭기가 이루어져 완전한 혼합이 이루어지므로, 믹서(mixer)(6)는 작동시키지 않을 수도 있다. 반응조 내에서 수리학 적 체류시간(HRT)을 거친 처리수는 침전조(8)로 유입되고 침전된 슬러지 중 일정량은 반송라인을 통해 유입라인으로 반송되어 반응조(5)로 다시 유입되고 침전조에서 분리된 상등수는 유출된다. 이때, 종래 장치에는 필요에 따라 ORP(oxidation reduction potential), pH 및 온도를 조절할 수 있는 센서가 연결 설치될 수도 있다.

이러한 CFSTR식 활성슬러지 공정은 충격부하에 강하고 높은 유기물 제거율을 갖는 장점이 있으나, 반응조 내부가 호기성 상태로 유지되므로 질산화 효율은 좋은 반면, 무산소 상태가 요구되는 탈질 반응이 이루어지지 않아 질소 제거 효율은 미비한 실정이다. 종래 활성슬러지 공정에서 나타나는 반응들은 산기석을 통한 용존산소의 연속적 공급으로 수중의 유기물 및 암모니아의 생물학적 산화로 인해 유기물은 제거되나 질소는 암모니아성 질소의 형태에서 질산성 질소의 형태로 변환만 되고 물속의 총질소량의 변화는 없다.(반응식 1과 2 참조, Water Quality,Tchobanoglous & Schroeder,1987,Addison Wesley, p106-121)

[반응식 1]

유기물 + xO₂ → yCO₂ + zH₂O (유기물 산화)

[반응식 2]

NH₄ ⁺ + 2O₂ → NO₃ ^- + 2H⁺ + H₂O (질산화)

따라서, 질소 제거효율을 높이기 위해 질산화된 질소 화합물의 탈질 반응 유도를 위한 무산소 조건에서의 운전이 추가되어야 한다. 이에, 종래 방법은 무산소 조건을 만족하기 위해서 무산소 반응조를 추가로 설치하는 방법이나 회분식 반응조 운전시 무산소 조건을 추가하는 방법들이 이용되고 있다. 하지만 전자의 경우 추가 건설 및 넓은 부지가 필요하고, 후자의 경우는 하수의 연속적인 처리가 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 CFSTR식 활성 슬러지 반응조 내부의 DO 농도를 제어함으로써 하나의 반응조에서 질산화 및 탈질화 반응을 동시에 유도할 수 있는 유기물 및 질소 화합물을 제거하는 오/폐수의 처리방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

오/폐수를 연속흐름식 완전 혼합 반응조(CFSTR)에 유입시켜 유기물 및 질소 화합물을 제거한 후 침전조로 이송하여 처리하는 오/폐수의 처리방법으로서,

상기 연속흐름식 완전 혼합 반응조 내의 용존산소(DO) 농도를 0.4 내지 0.6 mg/L의 범위로 유지하여 하나의 반응조 내에서 질산화 및 탈질화가 동시에 이루어지는 단계;

를 포함하며, 총질소제거율이 60% 이상인 유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의 처리방법을 제공한다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

상기한 반와 같이, 일반적으로 오폐수의 고도처리를 위해 처리장의 구조를 변경하거나 신설하고자 할 때 공간분할 공법을 적용할 경우 반응 공정이 늘어나고 부지 및 유지비용이 증가하며, 시간분할 공법을 이용할 경우 공정 운전 방법이 복잡해지고 처리의 연속성 확보가 어려웠다.

이에, 본 발명자들은 CFSTR 내의 DO 농도를 0.4~0.6(평균 0.5) mg/L로 낮게 유지시킬 경우 활성슬러지 플록(floc) 내부로의 산소 전달이 제한을 받아 플록 외부는 호기성 상태, 플록 내부는 무산소 상태의 이중 구조를 형성하게 되어 플록 외부에서는 질산화가 이루어지고 플록 내부에서는 탈질 반응이 일어날 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 CFSTR 내의 용존산소(Dissolved Oxygen; 이하 DO) 농도 및 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time; 이하 HRT)를 제어함으로써 반응조 내 미생물 플록(floc)의 외부는 호기성 상태를 형성하고, 내부는 무산소 상태를 형성시키는 이중구조를 포함하여, 하나의 반응조내에서 질산화와 탈질화를 동시에 수행함으로써, 유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 방법을 제공하는 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 유기물 및 질소화합물을 제거하는 오/폐수의 처리방법의 바람직한 일실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 동시 질산ㆍ탈질 CFSTR 반응조를 포함하는 오/폐수 처리장치의 개략도를 나타낸 것이다. 도 2에서 도면 부호 1은 기록을 저장하는 컴퓨터이고, 2는 반응조로 공기를 공급하는 블로워(blower)의 ON/OFF를 제어하기 위한 컨트롤 박스(control box)이고, 3은 반응조의 ORP(oxidation reduction potential), pH 및 온도를 조절할 수 있는 센서가 연결설치된 패널 박스(panel box)이고, 4는 반응조내로 공기를 주입하기 위한 블로워이고, 6은 믹서이고, 7은 블로워를 통해 공기를 공급하기 위한 기포발생돌인 산기석이고, 8은 반응조내에서 처리된 처리수를 침전시키는 침전조이고, 9는 용존산소의 농도를 자동측정 하는 센서(sensor)이고, 10은 패널박스에 연결설치되어 ORP, pH 및 온도를 조절하는 센서이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 장치는 용존산소 농도 유지를 위해 용존산소를 자동측정하는 용존산소 센서와, 용존산소가 설정농도 이하로 떨어질 때 블로워를 작동시켜 공기를 공급하고 용존산소가 설정농도를 초과할 때 블로워의 작동을 멈추는 ON/OFF 방식으로 용존산소를 조절하기 위한 컨트롤 박스(2)를 장착하는 특징이 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 장치를 통해 반응조에서 유입되는 하수의 변화에 연동하여 용존산소를 제어하고자 할 때 폭기량을 제어할 수 있다.

그렇기 때문에, 본 발명에 따르면 미량의 용존산소의 농도 유지가 가능하게 한 장치를 이용하여 반응조에서의 질산화 및 탈질화 반응을 동시에 이루어지게 한다. 즉, 본 발명의 방법은 오/폐수를 연속흐름식 완전 혼합 반응조(CFSTR)에 유입시켜 유기물 및 질소 화합물을 제거한 후 침전조로 이송하여 처리하는 오/폐수의 처리방법에 있어서, 상기 연속흐름식 완전 혼합 반응조 내의 용존산소(DO) 농도를 0.4 내지 0.6mg/L와 같이 좁은 범위로 유지하여 하나의 반응조 내에서 질산화 및 탈질화가 동시에 이루어지게 하여, C/N비를 높여서 총질소 제거율을 높임으로써 총질소제거율이 60% 이상이 되게 하는 특징이 있다. 이러한 본 발명의 도 2의 장치 를 이용한 유기물 및 질소 화합물을 포함하는 오/폐수의 처리방법의 바람직한 일례를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 도 2의 직사각형 CFSTR 반응조(5)에 활성 슬러지를 약 3000 mg/L의 MLSS(mixed liquor suspended solids) 농도로 넣고 일정시간 배양한다.

이후, 본 발명에서는 CFSTR 내의 DO의 농도를 일정하게 유지시키기 위해, 센서(9)를 통해 반응조 내 DO의 농도를 자동 측정하고, DO가 설정 농도 이하로 떨어질 경우 블로워(4)를 작동시켜 공기를 공급하고 설정 농도 이상이 될 경우 블로워(4)가 작동을 멈추는 ON/OFF 제어방식을 채택하여 반응조 내 DO의 농도를 0.4 내지 0.6 mg/L의 범위로 유지한다. 즉, 반응조 내 주요 제어 인자는 DO로서 컴퓨터의 제어 프로그램으로 반응조 내의 DO 농도를 설정하면, DO 센서(9)에 의해 측정된 DO가 설정 농도보다 낮을 때는 컨트롤 박스(2)에 연결된 블로워(4)가 작동되어 반응조 내를 폭기시키고, 반응조 내 DO가 설정 농도보다 높아질 때 블로워(4)의 작동을 멈추는 ON/OFF 제어방식을 채택한다. 이때, 상기 DO의 농도는 유입수의 유기물 및 질소화합물의 농도에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, DO 농도가 상기범위로 유지되는 것은 유입수의 유기물의 농도가 200 내지 600 mg/L인 경우와 질소화합물의 농도가 25 내지 35 mg/L인 경우가 가장 적절하다.

상기 반응조 내의 DO, ORP, pH, 온도는 각각의 센서(9, 10)에 의해 실시간으로 측정되어 측정치가 패널 박스(3)로 전달되고, 컴퓨터(1)에 저장된다. 본 발명의 CFSTR는 연속적인 폭기가 이루어지지 않기 때문에 슬러지와 유입수의 충분한 혼합을 위해 믹서(6)를 이용하여 반응조(7) 내부를 교반시켜준다.

또한, 본 발명에 의하면 오/폐수를 CFSTR 반응조(5)에 유입시킨 후 반응조에서 적정 HRT를 거쳐 유기물 제거 및 질산ㆍ탈질반응을 유도한다. 바람직하게, CFSTR 반응조내로 유입되는 유입수의 유량은 정량펌프(도시되지 않음)를 이용하여 제어함으로써 HRT를 24시간으로 설정할 수 있다. 여기서 HRT는 오염물질이 반응하는 시간을 나타내는 것으로 적정범위로 나타낼 수 있으며, 5% 정도의 실험적 오차를 허용할 수 있으며, 따라서 HRT 시간은 22.5 내지 25.5시간으로 설정할 수 있다. 이렇게, 반응조(5)에서 처리된 처리수는 22.5 내지 25.5 시간 정도의 HRT를 거쳐 침전조(8)로 유입되어 고액 분리가 이루어진다. 침전된 슬러지는 반송라인을 통해 반응조(5)로 반송되고, 상등수는 유출된다.

도 3은 본 발명에 따른 CFSTR 반응조내에서 일어나는 동시 질산ㆍ탈질 반응의 원리를 나타낸 것이다. 도 3에서 (1)은 반응식 1의 과정이고, (2)는 반응식2의 과정이고, (3)은 반응식 3의 과정을 나타낸 것이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 반응조 내의 DO가 0.4~0.6(평균 0.5)mg/L로 유지될 경우 반응조 내 활성슬러지 플록 내부로의 산소 전달이 저해되어 플록 외부에는 호기성 미생물이 존재하여 질산화가 이루어지고, 플록 내부에는 혐기성 미생물이 존재하여 탈질화가 일어날 수 있다. 또한 floc 내부에서 탈질화 반응이 일어날 때 필요한 유기탄소원은 폐수 내의 유기물로 이용할 수 있어 외부탄소원 의 주입이 필요하지 않다. 이를 반응식으로 나타내면 다음과 같다.

[반응식 1]

유기물 + xO₂ → yCO₂ + zH₂O (유기물 산화)

[반응식 2]

NH₄ ⁺ + 2O₂ → NO₃ ^- + 2H⁺ + H₂O (질산화)

[반응식 3]

aNO₃ ^- + 유기물 → bCO₂ + cN₂ + dH₂O + eOH (탈질화)

상기 반응식 1과 2는 반응조 내 활성 슬러지 floc의 외부 호기성 영역에서 일어나고, 반응식 3은 floc 내부의 무산소 영역에서 일어날 수 있다. (Metcalf & Eddy 저서, 고광백 외 9인 공역, "폐수처리공학", 동화기술, pp.1149~ 1148. (2004)

본 발명에서 DO 농도는 일반 표준 활성 슬러지 공정의 경우보다 낮게 유지되므로 유기물의 산화 및 암모니아성 질소의 충분한 질산화를 위해서는 상대적으로 긴 HRT가 소요된다. 따라서, 상술한 바와 같이, 유기물의 COD 200mg/L, NH₄ ⁺-N 30mg/L인 오수를 처리할 경우 24시간 정도가 바람직한 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 CFSTR에 처리하고자 하는 오/폐수 및 하수를 유입, 반응 및 유출시키는 과정에 있어, 반응조 내의 DO 농도를 0.4 내지 0.6 mg/L의 범위로 유지시켜 동시 질산ㆍ탈질 반응의 유도로 오/폐수 중의 유기물 및 질소의 효율적인 제거가 가능하다.

이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것이 아니다. 한편, 하기 실시예에 있어서 별도의 언급이 없으면 백분율 및 혼합비는 중량을 기준으로 한 것이다.

[실시예]

하기 실시예들은 본 발명에 의한 방법으로 하수에 함유된 유기물 및 질소화합물의 제거효율을 알아보기 위한 것이다.

하기 실시예에서 사용된 동시 질산ㆍ탈질반응을 위한 CFSTR은 도 2에 도시한 바와 같이 23cm × 23cm × 33cm의 사각형 반응조를 기준으로 구성하였고 하수의 유입 및 반송 슬러지의 반송은 정량펌프를 사용하였다.

<실시예 1>

본 실시예에서는 CFSTR 내 DO 농도에 따른 질소 화합물의 농도변화를 관찰하였다.

총질소의 제거율은 동시 질산ㆍ탈질 CFSTR 운전을 위한 제어인자인 DO 농도의 변화에 따른 유입수의 질소 화합물 대비 질소 화합물의 농도를 통해 산정하였다.

DO의 평균 농도는 2, 1, 0.5, 0.1 mg/L로 순서로 변화시켜 실험을 실시하였고, 적정 DO 산정 실험 시의 HRT는 24시간으로 설정하였다.

도 4는 상기의 DO 농도별 암모니아성 질소의 제거 양상을 나타내는 그래프를 나타낸 것이다. 도 4에서 보면, DO 농도를 2, 1, 0.5, 0.1 mg/L로 변화시켜 실험 한 결과, 암모니아성 질소는 2, 1, 0.5 mg/L에서는 거의 100%의 제거율을 보인 반면, 0.1 mg/L에서는 20% 정도의 암모니아성 질소 제거율을 보여 완전한 질산화를 위해서는 0.5 mg/L 이상의 DO 농도가 요구됨을 알 수 있었다.

도 5는 DO 농도별 질산성 질소의 변화 양상을 나타내는 그래프이다. 도 5에서 보면, DO 농도를 2, 1, 0.5, 0.1 mg/L로 변화시켜 실험한 결과, 반응조 내 DO 농도가 2, 1 mg/L일 경우에는 호기성 상태가 유지되어 유입되었던 암모니아성 질소가 질산화 됨에 따라 유출수의 질산성 질소의 농도가 유입수의 질산성 질소의 농도보다 늘어남을 알 수 있었다. 하지만 DO 농도 0.5 mg/L에서는 유입수 대비 유출수 질산성 질소 농도의 소폭 감소가 이루어졌는데, 유입 암모니아성 질소 농도까지 고려한다면 암모니아성 질소의 질산화 및 탈질화가 동시에 이루어졌다고 판단할 수 있었다. DO 농도 0.1 mg/L에서는 낮은 DO 농도에 의해 73% 정도의 질산성 질소의 제거율을 보여 가장 높은 탈질 효율을 보였다. 그러나, 유입 암모니아성 질소의 제거율이 20% 정도인 것을 감안할 때 0.1 mg/L의 DO 농도는 적합하지 않다고 판단되었다.

도 6은 DO 농도별 총 질소의 변화 양상을 나타내는 그래프이다. 도 6에서 보면, DO 농도 2, 1 mg/L에서는 각각 10, 15%의 제거율을 보인 반면, 0.5 mg/L에서는 60% 정도의 제거율을 보여 가장 높은 효율을 나타냈다. 0.1 mg/L의 DO에서는 탈질율은 높은 대신 질산화율은 낮아 총 질소의 제거율은 약 47%의 제거율을 보였다. 따라서, 일정한 용존산소의 유지가 매우 중요함을 알 수 있다.

<실시예 2>

본 실시예에서는 CFSTR 내 DO 농도에 따른 COD의 농도변화를 관찰하였다.

DO의 평균 농도는 2, 1, 0.5, 0.1 mg/L로 변화시켜 실험을 실시하였고, 적정 DO 산정 실험 시의 HRT는 24시간으로 설정하였다.

도 7은 DO 농도 변화에 따른 COD의 제거 양상을 도시한 그래프이다. 도 7에서 확인할 수 있듯이, 전체 DO 농도에서 COD의 제거율은 80~90% 정도로 나타남을 알 수 있었고, 단순히 유기물의 제거만을 위해서는 0.1mg/L의 DO 농도도 충분함을 알 수 있었다.

실시예 1과 실시예 2를 종합한 결과, 동시 질산ㆍ탈질 반응을 통한 유기물 및 질소 화합물의 안정적인 제거를 위해서는 CFSTR 내 DO 농도를 0.5 mg/L로 설정하여한다는 결론을 도출할 수 있었다.

<실시예 3>

본 실시예에서는 CFSTR 내 HRT에 따른 질소 화합물의 농도변화를 살펴보았다.

CFSTR 내 HRT는 유입 유량을 조절해줌으로써 12, 24, 36 시간으로 변화시켜 실험하였고, HRT 변화 실험 시 DO는 실시예 1, 2에서 선정된 0.5 mg/L로 제어해 주었다.

도 8은 HRT별 암모니아성 질소의 제거 양상을 나타내는 그래프이다. 도 8에서 보면, HRT를 12, 24, 36시간으로 변화시켜 실험한 결과 모든 HRT에서 100%의 암모니아성 질소 제거율을 보여 질산화를 위해서는 12시간의 HRT도 충분함을 알 수 있었다.

도 9는 HRT별 질산성 질소의 변화 양상을 나타낸 그래프이다. 도 9에서 보면, HRT 12시간에서는 유입 질산성 질소 대비 유출 질산성 질소가 약 3 mg/L 정도 증가하는 양상을 보였다. 이는 유입수 중의 암모니아성 질소의 질산화에 의한 것이라고 판단되며, 유입 암모니아성 질소의 농도가 평균 14 mg/L인 것을 감안할 때 11 mg/L 정도는 질산화와 탈질이 동시에 진행되어 제거되고 3 mg/L 정도의 질산성 질소만이 완전이 탈질되지 못한 것으로 사료된다. HRT 24시간과 36시간에서 유입 질산성 질소 대비 유출 질산성 질소 농도는 2 mg/L 내외의 감소 양상을 보였다. 유입 암모니아성 질소의 완전한 질산화가 이루어진 것을 고려해 볼 때 유출 질산성 질소가 더 높다는 것은 완전한 탈질이 이루어졌음을 나타낸다고 볼 수 있다.

도 10은 HRT별 총질소의 제거 양상을 나타낸 그래프이다. 도 10에서 보면, HRT 12시간에서는 35%, 24시간 및 36시간에서는 54 ~ 55%의 총질소 제거율을 나타내었다.

<실시예 4>

본 실시예에서는 CFSTR 내 HRT에 따른 COD의 농도변화를 살펴보았다.

CFSTR 내 HRT는 유입 유량을 조절해 줌으로써 12, 24, 36 시간으로 변화시켜 실험하였고, HRT 변화 실험 시 DO는 실시예 1, 2에서 선정된 0.5 mg/L로 제어해 주었다.

도 11은 HRT 변화에 따른 COD의 제거양상을 나타낸 그래프이다. 도 11에서 확인할 수 있듯이, 전체 HRT에서 COD의 제거율은 80~90% 정도로 나타남을 알 수 있었고, 본 실험에서 사용된 유기물의 농도 범위에서 단순히 유기물의 제거만을 위해 서는 12시간의 HRT도 충분함을 알 수 있었다.

실시예 3과 실시예 4를 종합한 결과, 동시 질산ㆍ탈질 반응을 통한 유기물 및 질소 화합물의 안정적인 제거를 위해서는 CFSTR 내 HRT를 24시간으로 설정하여야 한다는 결론을 도출할 수 있었다.

<실시예 5>

본 실시예에서는 유입수의 COD를 변화시켜 C/N비에 따른 질소의 제거를 살펴보았다.

유입수의 COD를 200, 300, 600mg/L로 변화시켜 C/N비를 7, 10, 20으로 변화시켜 실험하였고, 반응조 운전 조건은 DO 0.5 mg/L, HRT 24시간으로 설정해 주었다.

도 12는 C/N비 변화에 따른 암모니아성 질소의 제거 양상을 나타내는 그래프이다. 도 12에서 보면, C/N비를 7, 10, 20으로 변화시켜 실험한 결과 C/N비 7, 10에서는 100%의 질산화가, C/N 20에서는 85%의 질산화가 이루어졌다.

도 13은 C/N비 변화에 따른 질산성 질소의 변화 양상을 나타낸 그래프이다. 도 13에서 보면, C/N 7, 10 에서는 유입 질산성 질소 대비 유출 질산성 질소가 각각 약 6.5, 2.5 mg/L 정도 증가하는 양상을 보였다. 이는 유입수 중의 암모니아성 질소의 질산화에 의한 것이라고 판단되며, 유입 암모니아성 질소의 농도가 평균 28.5 mg/L인 것을 감안할 때 각각 22, 26 mg/L 정도는 질산화와 탈질이 동시에 진행되어 제거되고 6.5, 2.5 mg/L 정도의 질산성 질소만이 완전히 탈질되지 못한 것으로 사료된다.

C/N 20에서 유입 질산성 질소 대비 유출 질산성 질소 농도는 2.5 mg/L 내외의 감소 양상을 보였다. 이때 85%의 질산화를 통해 24.5 mg/L의 암모니아성 질소가 제거된 것을 고려해 볼 때 유입 질산성 질소의 농도보다 유출 질산성 질소가 더 낮다는 것은 완전한 탈질이 이루어졌음을 나타낸다고 볼 수 있다.

도 14는 C/N비 변화에 따른 총질소의 제거 양상을 나타낸 그래프이다. 도 14에서 보면, C/N 7, 10, 20에서 각각 69, 76, 81%의 총질소 제거율을 나타내었다.

<실시예 6>

본 실시예에서는 유입수의 COD를 변화시켜 C/N비에 따른 유기물의 제거를 살펴보았다.

유입수의 COD를 200, 300, 600mg/L로 변화시켜 C/N비를 7, 10, 20으로 변화시켜 실험하였고, 반응조 운전 조건은 DO 0.5mg/L, HRT 24시간으로 설정해 주었다.

도 15는 C/N비 변화에 따른 COD의 제거양상을 도시한 그래프이다. 도 15에서 확인할 수 있듯이, 전체 실험에서 유출 COD는 8~24 정도로 일정하게 나타났다. 이에 따라 본 공법은 200~600 mg/L의 COD에 유효함을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 방법은 일반적인 하수가 가지는 유기물 및 질소화합물의 농도 범위에서 CFSTR 내 DO를 0.4~0.6(평균 0.5mg/L)로 유지시키고 22.5 내지 25.5시간 정도의 HRT로 운전함으로써 무산소 반응조의 추가 없이도 질산화와 탈질화가 동시에 유도되어 질소를 제거할 수 있으며, 이를 통해 처리 설비의 단순화 및 운전 비용의 절감을 기대할 수 있다.

Claims (6)

1. 오/폐수를 연속흐름식 완전 혼합 반응조(CFSTR)에 유입시켜 유기물 및 질소 화합물을 제거한 후 침전조로 이송하여 처리하는 오/폐수의 처리방법으로서,

   상기 연속흐름식 완전 혼합 반응조 내의 용존산소(DO) 농도를 0.4 내지 0.6 mg/L의 범위로 유지하여 하나의 반응조 내에서 질산화 및 탈질화가 동시에 이루어지는 단계;

   를 포함하며, 총질소제거율이 60% 이상인 유기물 및 질소 화합물을 동시에 제거하는 오/폐수의 처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반응조는 용존산소 농도를 유지하기 위하여 용존산소 농도를 자동측정하는 센서와, 상기 용존산소가 설정농도 이하로 떨어질 때 블로워를 작동시켜 공기를 공급하고 용존산소가 설정농도를 초과할 때 블로워의 작동을 멈추는 ON/OFF 제어수단을 구비하고 있는 오/폐수의 처리방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 연속흐름식 완전 혼합 반응조 내의 수리학적 체류시간(HRT)이 22.5 내지 25.5 시간인 오/폐수의 처리방법
4. 제 1항에 있어서, 상기 연속흐름식 완전 혼합 반응조에 유입되는 유입수는 정량펌프에 의해 유량이 제어되는 것인 오/폐수의 처리방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 연속흐름식 완전 혼합 반응조로 유입되는 유입수는 유기물의 농도가 200 내지 600 mg/L이고, 질소화합물의 농도가 25 내지 35 mg/L인 오/폐수의 처리방법.
6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 방법은 C/N비를 높여서 총질소 제거율을 높이는 것인 오/폐수의 처리방법.

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