KR101009186B1

KR101009186B1 - 부분질산화와 ａｎａｍｍｏｘ 공정을 이용한 고효율 수직류식 인공습지

Info

Publication number: KR101009186B1
Application number: KR20100073030A
Authority: KR
Inventors: 정병곤; 김병효
Original assignee: 군산대학교산학협력단
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-01-18

Abstract

본 발명은 마을하수 및 독립가옥에서 발생되는 오수처리용 중소규모 처리를 위한 수직류식 인공습지에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 모래와 패각사를 혼합한 여재를 상부에 충진시키고 쇄석과 고로슬래그를 혼합한 여재를 하부에 충진시킨 수직류식 인공습지 내의 침지영역에서 부분질산화 및 ANAMMOX 공정을 유도하여 질소를 제거하는 콤팩트화된 고효율 수직류식 인공습지에 관한 것이다.

Description

부분질산화와 ＡＮＡＭＭＯＸ 공정을 이용한 고효율 수직류식 인공습지{High efficiency vertical flow constructed wetland using the partial nitrification and ANAMMOX process}

본 발명은 마을하수 및 독립가옥에서 발생되는 오수처리용 중소규모 처리를 위한 수직류식 인공습지에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 모래와 패각사(Shell sand)를 혼합한 여재를 상부에 충진시키고 쇄석과 고로슬래그를 혼합한 여재를 하부에 충진시킨 수직류식 인공습지 내의 침지영역에서 부분질산화 및 ANAMMOX(Anaerobic AMMonium OXidation) 공정을 유도하여 질소를 제거하는 콤팩트(compact)화된 고효율 수직류식 인공습지에 관한 것이다.

오염원은 오염물질의 배출 형태에 따라 점오염원(point source)과 비점오염원(non-point source)으로 대별된다. 발생된 오폐수는 오염원별로 환경기초시설을 설치하여 정화처리하고 있는데 생활하수는 하수종말처리장 또는 오수처리시설에 의하여, 산업폐수는 산업폐수종말 처리시설 또는 개별 공장의 자체 오염방지시설에 의하여 차집처리되고 있다.

하수의 경우 도시에서 발생하는 하수는 도시하수 처리장에서 처리되어 하천으로 방류되고 있으나, 농어촌 등에서 발생하는 하수는 낮은 인구밀도로 인해 독립적인 처리시설이 없을 경우 거의 대부분 처리되지 않고 하천으로 방류되고 있어 수질에 중요한 영향을 미치고 있는 실정이다.

현재 농어촌 지역의 하수를 처리하는데 적용되고 있는 공법의 경우 하수 발생 특성을 고려하지 못한 현행 도시하수 처리장에서 적용운전되고 있는 활성슬러지공법 등의 기계식 공법을 축소하거나 개량하여 간소화한 처리공정이 주로 적용되고 있는 실정이다. 이들 공법으로 처리할 경우 농어촌 하수의 부하변동에 대한 적응력 부족으로 하수처리 효율이 감소하여 운영과 유지관리비 등 경제적인 면에서도 부적합하다. 또한 발생원이 산재된 지역을 대상으로 차집관거를 설치하여 하수를 차집하는 현행 방식은 하수관거의 오접합, 관리부실 등으로 처리효율 및 경제성 측면에서 상당한 문제점을 내포하고 있다.

식당이나 숙박시설 등과 같은 개별오수 발생시설의 경우도 역시 부하변동이 심하며 현실적으로 복잡한 운영 및 유지관리가 불가능한 실정이다. 따라서 토양처리방법, 산화지 처리법, 식물을 이용한 처리법 및 습지 처리법과 같은 자연정화공법이 대두되었으나, 하수처리 과정 중 악취가 발생되거나 여재 공극이 폐쇄되어 투수속도가 저하되며 과다한 부지면적이 소요되고, 또한 농어촌 지역의 특성상 오수 유입량의 큰 변동으로 처리효율이 저하되는 등 여러 가지 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.

이들 공법들의 단점을 보완하기 위해 친환경적인 공법으로 개발된 인공습지에 의한 자연정화공법은 하수, 폐수, 강우 유출수, 광산배수 및 매립지 침출수 등의 처리에 광범위하게 사용되고 있는 공법으로서, 에너지 사용량이 적고 부하변동에 강한 특성을 가지고 있어 농어촌지역 등과 같은 독립지역의 하수 특성에 적절히 대처할 수 있는 공법이라 할 수 있다.

인공습지내 인 성분의 제거는 식물에 의한 흡수와 침전, 여과 및 흡착 등과 같은 물리적 반응에 의해 처리되므로 식물에 의한 흡수속도와 물리적 반응, 즉 여과 및 흡착으로 제거되는 속도 사이의 균형이 유지되지 않을 경우 인공습지 내 인 성분의 축적이 포화에 달해 결국 유출수를 통해 유출될 수 있다. 인 제거에 있어 수생식물과 여재를 조합하는 지하흐름형 인공습지의 성공적인 운영을 위해서는 유입수의 특성을 고려한 여재선정이 중요한 설계인자로 작용하게 된다.

질소제거의 경우 휘발, 암모니아화(ammonification), 질산화, 탈질, 식생에 의한 흡수 및 흡착 등 다양한 경로로 제거되나 일반적으로 질산화-탈질 공정이 질소제거에 있어서 가장 중요한 주 공정으로 알려져 있다. 그러나 1990년대에 들어 질소제거에 대한 대안으로 ANAMMOX 경로가 소개되었으며, 또한 고농도 암모니아 함유 폐수 처리를 위한 몇 종류의 ANAMMOX 공정이 보고되었다. 인공습지 공정에서도 ANAMMOX 반응은 이미 확인된 바 있다.

이에 본 발명에서는 광범위한 연구를 수행한 결과, 모래와 패각사를 혼합한 여재로 채워진 상부 및 자갈과 고로슬래그를 혼합한 여재로 채워진 하부로 구성된 수직류식 인공습지조를 이용하여 하수 발생량 및 농도가 일정하지 않은 마을하수 및 독립가옥에서 발생되는 오수에 포함된 질소 및 인을 상기 인공습지조 내 여재에 흡착시키고, 부분질산화와 ANAMMOX 공정을 유도함으로써 유출수를 현행 법 규제치인 BOD, SS 20 mg/L 이하를 만족하면서도 부영양화 원인 물질인 질소도 동시에 제거할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 마을하수 또는 독립가옥 등에서 발생하는 하수처리를 위하여 현행 시중에서 이용되고 있는 일반적인 인공습지 시스템에 비해 소요 부지를 줄일 수 있고 높은 운전효율을 얻을 수 있는 콤팩트화된 고효율 수직류식 인공습지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 스크린 장치, 유량조정조, 수직류식 인공습지조 및 반송조로 구성되고, 상기 수직류식 인공습지조는 모래와 패각사를 혼합한 여재로 채워진 상부 및 자갈과 고로슬래그를 혼합한 여재로 채워진 하부로 구성된 수직류식 인공습지를 제공한다.

본 발명에 의한 수직류식 인공습지 공정은 기존 인공습지 공정에 비해 소요부지를 현저하게 줄일 수 있고, 침지영역을 두어 부분질산화 및 ANAMMOX 공정을 유도하고 유출수 반송을 실시하여 부영양화 유발물질인 질소 제거효율을 높일 수 있어 처리효율과 체류시간을 단축시킴으로써 효율적이며 안정적으로 처리할 수 있는 장점이 있다.

도 1a는 본 발명에 의한 수직류식 인공습지 시스템의 흐름도로서, 부분질산화와 ANAMMOX 공정을 이용한 고효율 수직류식 인공습지의 사시도이고, 도 1b는 상기 수직류식 인공습지조의 확대 단면도이다.
도 2는 실시예 1과 비교예 1의 인공습지에서 오염물질 평균 제거율(%)을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예 1과 비교예 1의 인공습지에서 평균 질소 제거율(%)을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 재순환을 실시한 실시예 1과 비교예 1의 인공습지에서 오염물질 평균 제거율(%)을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 재순환을 실시한 실시예 1과 비교예 1의 인공습지에서 평균 질소 제거율(%)을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 수리학적 체류시간(10시간, 15시간 및 20시간)과 반송율(1:1, 1:2 및 1:3)에서 COD 농도의 변화를 관찰한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 수리학적 체류시간(10시간, 15시간 및 20시간)과 반송율(1:1, 1:2 및 1:3)에서 암모니아성 질소 농도의 변화를 관찰한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 수리학적 체류시간(10시간, 15시간 및 20시간)과 반송율(1:1, 1:2 및 1:3)에서 질산성 질소 농도의 변화를 관찰한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 수리학적 체류시간(10시간, 15시간 및 20시간)과 반송율(1:1, 1:2 및 1:3)에서 총인 농도의 변화를 관찰한 결과를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 수직류식 인공습지 내의 침지영역에서 부분질산화 및 ANAMMOX 공정을 유도하여 질소를 제거하는 콤팩트화된 고효율 수직류식 인공습지에 관한 것이다.

본 발명에 의한 수직류식 인공습지 시스템은 협잡물을 제거하기 위한 전처리 시스템인 스크린 장치, 유량조정조, 수직류식 인공습지조 및 반송조로 구성될 수 있다.

상기 스크린 장치는 봉 및 미세 스크린 등이 장치된 스크린을 포함할 수 있으며, 상기 유량조정조는 오폐수의 성상을 균질화한다. 본 발명에서 사용한 유량조정조는 통상 유입 폐수량을 기준으로 12∼24시간의 체류시간을 갖는 용량으로 구성된다. 구체적인 수리학적 체류시간의 결정은 처리장치가 설치되는 곳의 가용부지면적에 따라 달라질 수 있다. 통상 오수의 경우 시간대에 따라 발생량 및 성상의 변화가 크기 때문에 원칙적으로 24시간 정도의 수리학적 체류시간을 갖는 유량조정조를 권고하나 전술한 바와 같이 가용부지면적에 있어 제한을 받는 경우 12∼24시간 범위 내에서 현지 조건에 맞게 결정한다. 성상의 균질화는 제안된 수리학적 체류시간의 유지만으로 달성이 가능하다.

상기 수직류식 인공습지조는 모래와 패각사를 혼합한 여재 및 자갈과 고로슬래그를 혼합한 여재를 사용하여 오폐수 내 인을 흡착처리하도록 하였으며, 바람직하게는 상기 수직류식 인공습지도의 상부에 모래와 패각사를 혼합한 여재를 채우고, 그 하부에는 자갈과 고로슬래그를 혼합한 여재를 채운 후 폐수에 50%만 침지시켜 50%의 침지형 수직류식 인공습지를 제조함으로써 상부에서는 호기성을 유지하여 질산화를 유도하며, 하부의 침지 영역에서는 ANAMMOX 반응을 유도하여 탈질반응이 일어나도록 하였다. 즉, 상기 수직류식 인공습지조는 상부의 호기성 영역과 하부 침지영역의 무산소 및 미호기성 영역으로 구성되어 있으며, 오폐수를 수직류식 인공습지조 상부로 유입시키고 유출수를 반송시키는 방법으로 운전할 수 있다. 이렇게 함으로써 유기물의 제거는 물론 상부의 호기성 영역에서는 질산화가 일어나고 하부의 침지영역에서는 ANAMMOX 반응이 일어남으로써 질소의 제거가 가능하다.

본 발명에서 사용하는 수직류식 인공습지조의 수리학적 체류시간은 10∼20시간 정도, 반송율은 1:1 내지 1:3 정도가 적절하며, 가장 바람직하게는 체류시간 15시간, 반송율 1:2로 운전하는 것이 좋다.

상기 반송조에서는 수직류식 인공습지조의 유출수를 상기 수직류식 인공습지조로 반송하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반송조는 당업계에서 통상적으로 사용하는 연동펌프와 같은 설비를 구비함으로써 유출수를 반송시킬 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 반송조는 6시간 정도의 수리학적 체류시간을 갖는 용량으로 구성되며, 반송조의 재질은 내부의 내용물이 새지 않을 정도의 방수성과 내구성을 갖춘 것이면 종류에 상관없이 모두 가능하고, 예를 들면 PVC, PE 또는 FRP 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기 수직류식 인공습지조에서 일어나는 질산화 과정 및 ANAMMOX 반응을 보다 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다. 먼저, 질산화 과정은 생물학적 산화에 의하여 암모니아가 아질산염을 중간산물로 하여 질산염으로 되는 반응이다. 이러한 두 단계 반응은 독립 영양성 미생물인 Nitrosomonas와 Nitrobacter에 의하여 이루어진다.

[반응식 1]

[반응식 2]

상기 식에서 알 수 있듯이 질산화과정에서 상당량의 산소가 필요한데 1 g의 NH₄ ⁺-N을 질산화시키기 위해서는 약 4.5 g의 산소가 필요하다. 따라서 이론상 암모니아 질소를 질산 질소로 산화시키기 위해서는 반응조 내 DO 농도를 4∼5 ㎎/ℓ 이상으로 유지시켜야 한다. Nitrosomonas와 Nitrobacter에 대한 에너지 생성 및 세포합성의 총괄 수지식은 다음과 같다.

[반응식 3]

[반응식 4]

상기 식은 Nitrosomonas와 Nitrobacter의 세포합성율을 각각 0.08 g VSS / g NH₄ ⁺-N 과 0.05 g VSS /g NH₄ ⁺-N 이라고 또 세포의 화학조성을 C₅H₇NO₂ 라고 가정한 것이다. 이 식에서 알 수 있다시피 질산화 과정 중 수소이온이 생성되고 질산화 과정에서 발생되는 H⁺에 의한 pH 저하를 막기 위해서는 1 g의 NH₄ ⁺-N을 산화시키는데 7.1 g CaCO₃에 상당하는 알칼리도가 소비되어진다. 질산화과정은 적절한 환경조건만 이루어진다면 낮은 유기물 부하에서 운전되는 모든 호기성 생물학적 공정 내에서 일어날 수 있다. 그러나 적정 조건하에서 질산화박테리아의 세포배가시간(doubling time)은 약 15 시간으로 유기물을 분해시키는 종속영양성 박테리아의 세포배가시간인 20∼40분에 비해 상대적으로 상당히 느린 성장속도를 가지고 있다. 따라서 질산화반응을 일으키기 위한 필수조건은 이러한 느린 성장속도를 가지는 질산화박테리아를 반응조 내에 보유시킬 수 있을 만큼의 긴 고형물체류시간(SRT)으로 운전되어져야 한다는 점이다. 활성슬러지 공법 등과 같은 부유성장 반응조에서는 이러한 목적을 달성하기 위하여 공정을 낮은 희석율, 즉 긴 수리학적체류시간(HRT)으로 운전하게 된다. 반응조 내 세포 체류시간을 증가시키기 위한 또 하나의 대안으로는 세포 고정화 기법을 이용할 수 있다. 이러한 세포 고정화 기법으로 현재 가장 널리 사용되는 방법은 박테리아가 부착할 수 있는 적절한 불활성 담체를 반응조 내에 투여하여 그 표면에 박테리아가 자연적으로 부착 성장할 수 있게 만든 생물막 공법이다.

한편 생물학적 탈질은 NO_x는 있으나 용존산소가 없는 산소결핍(anoxic) 조건하에서 유기물을 에너지원으로 이용할 때 질산염(Nitrate)을 수소 수용체로 이용하는 종속영양성 미생물에 의해 일어난다. 이와 같이 탈질에 관여하는 종속영양성 미생물로는 통상적으로 여재 내에 포함되어 있는 Pseudomonas, Achromobacter , Bacillus 또는 Micrococcus 등을 들 수 있으며, 이들은 폐수에 침지되지 않은 영역에서 질산화를 유도하고, 폐수에 침지되어 있는 영역에서는 ANAMMOX 반응을 유도한다. 본 발명에서는 상기 침지영역을 25%, 50% 및 75%로 구성하여 각각 운전한 결과 인공습지 반응조가 폐수로 50% 정도 잠기도록 침지영역을 설정하였을 때 가장 효율적인 것을 확인하였다.

[반응식 5]

상기 식에서 알 수 있듯이 산소결핍 조건 하에서 1 g의 NO₃ ^--N을 탈질화시키는데 3.57 ㎎의 알칼리도가 형성되어진다. 그리고 NO₃ ^-의 환원반응이 일어나기 위해서는 전자공여체(electron donor)의 존재가 필수적이다. 전자공여체로서 작용하는 것은 보통 유기물로서 메탄올이 가장 많이 사용되어진다. 메탄올이 전자공여체로서 이용되었을 때의 반응은 다음과 같다.

[반응식 6]

상기 반응식 6에서, 1 ㎎/ℓ의 NO₃-N을 탈질시키기 위해서는 3.86 ㎎/ℓ의 메탄올이 요구된다. 그런데 메탄올과 같은 화학약품을 사용한다는 것은 처리장의 운전 경비 상승의 원인이 된다. 질산화 공정과 탈질 공정은 특히 산소의 이용 측면에서 근본적으로 반대되는 공정으로 통상 이 두 가지 공정은 별도의 반응조 내에서 일어나게 된다.

또한, 이러한 다단 반응조를 이용한 탄소 및 질소 제거에 있어서는 탈질에 외부 탄소원의 주입이 필수적이다. 외부 탄소원의 주입은 주로 메탄올 등의 주입에 의해 이루어지는데 이는 운전의 복잡성을 초래할 뿐만 아니라 운전 경비의 상승을 초래하게 된다. 만약 단일 반응조 내에서 질산화와 탈질의 동시 반응이 일어나게 된다면 이러한 단점들을 극복할 수 있다. 수직류식 인공습지조 내에서 질산화와 탈질 둘 다를 일으킬 수 있는 방법은 오폐수를 호기성 영역과 혐기성 영역을 반복적으로 흐르게 함으로써 호기성 상태와 혐기성 상태를 교대로 유지시키는 것이다.

본 발명에 의한 수직류식 인공습지 시스템은 유기성 산업폐수처리, 생활오수 처리 및 마을 단위의 소규모 오수정화 등에 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 내용을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니고, 당업계에서 통상적으로 주지된 변형, 치환 및 삽입 등을 수행할 수 있으며, 이에 대한 것도 본 발명의 범위에 포함된다.

[참고예 1] 합성 폐수 제조

하기 표 1 및 2에 기재된 조성에 따라 합성 폐수를 제조하였다(단위: ㎎/ℓ).

합성 폐수 조성

성분	영양원	함량
글루코오스	C	200
NH₄Cl	N	229.3
KH₂PO₄	P	35.12
CaCl₂·2H₂O	Ca	22.05
MgSO₄·7H₂O	Mg	0.43
KCl	K	21.3
NaHCO₃	Na	8.76
효모 추출물		100
미량원소		1.0

상기 표 1의 성분 중 미량원소 조성

성분	함량
4FeCl₃·H₂O	1000
CoCl₂·6H₂O	1000
MnCl₂·4H₂O	250
CuCl₂·2H₂O	15
ZnCl₂	25
H₃BO₃	25
(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O	45
NaSeO₃·H₂O	50
NiCl₂·6H₂O	35
EDTA	500
HCl(36%)	1

[실시예 1] 50% 침지형 수직류식 인공습지 시스템 제조

도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 스크린 장치, 유량조정조, 수직류식 인공습지조 및 반송조로 구성된 수직류식 인공습지를 제조하였다. 이때 스크린 장치는 봉과 미세 스크린을 포함하고, 수직류식 인공습지조의 상부에는 모래와 패각사를 혼합한 여재를 채우고, 그 하부에는 자갈과 고로슬래그를 혼합한 여재를 채워 수직류식 인공습지 시스템을 제조하였다.

이후, 상기 수직류식 인공습지조에서 폐수의 침지영역을 25%, 50% 및 75%로 설정하여 운전한 결과, 폐수가 50% 정도 잠기게 설정한 경우 가장 효율적인 것을 확인하였다.

[비교예 1] 침지형 수직류식 인공습지 시스템 제조

침지형 인공습지는 내경 150 mm의 PVC관을 이용하여 높이 1 m로 제작하였다. 반응조 총 용적은 약 0.018 ㎥(유효용적 약 0.016 ㎥)이었으며, 여재 주입 위치는 반응조 하부로부터 높이 0.9 m까지 자갈, 고로슬래그, 패각사 및 모래 순으로 충진하였다. 사용된 여재는 자갈의 경우 2.8∼10 mm 사이의 입도를 자기는 것으로 반응조 하부로부터 58.5 cm까지 충진하였고, 고로슬래그 또한 자갈과 같은 입도를 가지는 것으로 4.5 cm의 두께로 충진하였다. 패각사의 경우는 250 ㎛ 내지 2.0 mm의 입도를 가지는 것으로 4.5 cm의 두께로 충진하였으며, 모래는 125 ㎛ 내지 2.0 mm의 입도를 가지는 것으로 22.5 cm로 충진한 침지형 인공습지 반응조를 제작 운전하였다.

[시험예 1] 인공습지의 운전효율

본 발명 시스템의 운전 조건을 결정하기 위하여 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 인공습지의 운전 효율을 알아보기 위하여, 반송률을 1Q∼3Q로 변화시켜가며 상기 참고예 1에서 제조한 합성 폐수를 이용하여 실험하였으며, 그 결과를 하기 표 3 및 도 2∼5에 나타내었다. 이때, 비교예 1과 실시예 1의 재순환 부분은 HRT 10시간일 때의 결과이다.

항목	비교예 1	실시예 1	비교예 1 (1:1 재순환)	실시예 1 (1:1 재순환)	실시예 1 (1:2 재순환)	실시예 1 (1:3 재순환)
COD	78.6	77.2	80.2	81.3	83.4	85.7
TKN	56.4	42.8	59.1	62.5	63.2	64.3
NH₄-N	52.6	34.9	55.9	60.4	62.8	65.2
T-N	26.1	38.4	27.4	49.2	51.4	53.5
T-P	84.2	68.7	86.8	88.3	89.2	91.3
PO₄-P	38.6	35.9	46.5	56.7	59.4	63.6

표 3 및 도 2∼3에서 보여지는 바와 같이, COD의 경우 비교예 1의 수직류식 인공습지와 50% 침지시킨 실시예 1의 인공습지 반응조의 운전효율이 각각 78.6% 및 77.2%로 나타났으나, 유의적인 차이는 보이지 않았다. 그러나, 1:1 반송을 실시한 결과에서는 비교예 1의 수직류식 인공습지 반응조보다 실시예 1의 수직류식 인공습지 반응조의 제거효율이 다소 증가한 것을 볼 수 있었다.

총인의 경우, 비교예 1의 수직류식 인공습지 반응조보다 실시예 1의 수직류식 인공습지 반응조에서 처리효율이 낮아진 것을 볼 수 있었는데 이는 호기성 상태에서 인의 흡수가 일어나고 혐기성 및 산소결핍 상태에서 인의 탈착이 일어나는 것과 밀접한 관련성이 있는 것으로 보인다. 왜냐하면 비교예 1의 수직류식 인공습지의 경우 유입수가 반응조 내로 유입되면 여재와 접촉하여 바로 유출되기 때문에 반응조 내는 호기성 상태를 유지하고 있다. 그러나 침지형 인공습지 반응조의 경우 반응조 내에 유입수가 항상 머물러 있기 때문에 반응조 내에 산소결핍 환경이 조성되기 때문이다. 따라서, 본 발명에서와 같이 반응조를 50% 침지시켰을 경우 상부는 호기성 상태를 유지하고 침지된 하부는 산소결핍 환경을 형성하여 하부에서 인의 탈착이 일어나기 때문인 것으로 사료된다.

질산화의 경우 호기성 상태를 유지하는 비교예 1의 수직류식 인공습지 반응조에서 더 좋은 효율을 보여주고 있다. 이는 질산화의 경우 호기성 상태 하에서 일어나는 기작이기 때문에 당연한 결과인 것으로 판단된다. 그러나 T-N의 경우는 오히려 반대의 결과가 나타났다. 위에서 언급한 바와 같이, 실시예 1과 같이 반응조를 침지시킬 경우 상부는 호기성 상태를 유지하나 하부에서는 혐기성 및 산소결핍 환경이 조성된 결과로 판단된다. 또한 상술한 바와 같이, 혐기성 및 산소결핍 환경 하에서 부분질산화 및 ANAMMOX 공정에 의한 질소 제거 기작이 발생하였을 가능성이 매우 크다고 판단된다.

도 4 및 도 5의 결과는 비교예 1의 수직류식 인공습지 반응조와 실시예 1의 수직류식 인공습지 반응조의 유출수를 반송하였을 경우 운전 효율을 보여준다. 이와 같이 반송을 실시하였을 경우에는 실시예 1의 수직류식 인공습지의 전체적인 제거 효율이 비교예 1 보다 좋게 나타났다. COD의 경우는 큰 차이를 보이지는 않았으나 인산염 인의 경우 비교예 1과 실시예 1이 각각 46.5% 및 56.7%로 나타나 실시예 1이 약간 더 높은 제거효율을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 질소 및 인 제거효율 또한 반송을 실시하면서 실시예 1에서 더 우수하였다.

[시험예 2] 실시예 1의 인공습지 반응조에서 HRT 변화에 따른 운전효율

HRT 및 반송비에 따른 처리효율을 알아보기 위하여 실시예 1의 인공습지 반응조의 HRT를 10, 15 및 20시간으로 바꿔가면서 운전했을 때와 반송비를 1:1, 1:2 및 1:3으로 변경하여 운전하였을 때의 COD, NH₄-N, NO₃-N 및 T-P의 농도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4 및 도 6∼9에 도시하였다.

항목	HRT 10hr			HRT 15hr			HRT 20hr
항목	1:1 재순환	1:2 재순환	1:3 재순환	1:1 재순환	1:2 재순환	1:3 재순환	1:1 재순환	1:2 재순환	1:3 재순환
COD	81.3	83.4	85.7	82.4	84.5	88.4	83.7	85.9	89.7
TKN	62.5	63.2	64.3	63.8	64.9	66.8	65.5	66.4	68.3
NH₄-N	60.4	62.8	65.2	65.8	66.7	68.1	67.2	68.5	69.3
T-N	49.2	51.4	53.5	50.4	51.3	52.7	51.8	52.7	54.7
T-P	88.3	89.2	91.3	89.6	90.4	92.3	90.9	91.8	93.5
PO₄-P	56.7	59.4	63.6	57.9	58.6	61.4	59.7	60.9	63.3

상기 표 4 및 도 6의 결과에서, COD의 경우 반송률 및 HRT가 증가할수록 제거 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 반송 및 HRT가 증가할수록 반응조에 체류하는 기간이 길어져 반응조 내 미생물을 기질로 이용할 수 있는 시간이 길어지고 그로 인해 처리효율 또한 증가하는 것으로 사료된다.

도 7의 결과에서, NH₄-N 또한 COD와 유사한 경향을 나타내었는데 이는 HRT가 길어질수록, 반송률이 증가할수록 유입수 내 암모니아성 질소가 반응조 내 미생물과 접촉할 수 있는 기간이 길어지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 암모니아성 질소의 대부분이 반응조 상부의 호기성 환경에서 질산화에 의한 암모니아성 질소의 제거가 일어났을 것으로 사료된다.

도 8의 결과에서 질산성 질소의 경우 또한 이와 비슷한 경향을 나타내면서 증가하였다. 이는 암모니아성 질소가 산화되면서 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화되기 때문에 체류시간이 길어지고 반송률이 증가할수록 빠르게 산화되는 것으로 판단된다.

도 9에서 보여지는 바와 같이 T-P의 경우는 비교적 짧은 운전시간에 대부분 제거되는 것으로 나타났으며, 반송률이 증가할수록 보다 짧은 운전시간에 대부분의 인을 제거할 수 있는 것으로 나타났다.

Claims

스크린 장치;
오폐수의 성상을 균질화하는 유량조정조;
상기 유량조정조의 오폐수가 상부로 유입되고, 모래, 패각사, 자갈, 고로슬래그를 혼합한 여재로 채워지며, 하부만이 오폐수에 침지되어, 침지되지 않은 상부에서는 질산화 반응이 일어나며 침지된 하부에서는 ANAMMOX 반응이 일어나는 수직류식 인공습지조; 및
상기 수직류식 인공습지조의 유출수를 상기 수직류식 인공습지조의 상부로 반송하는 반송조;를 포함하는 수직류식 인공습지.
제1항에 있어서,
상기 오폐수에 침지되는 하부는 상기 수직류식 인공습지조의 50%인 수직류식 인공습지.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수직류식 인공습지조는 수리학적 체류시간이 10∼20시간이고, 반송율이 1:1 내지 1:3으로 운전되는 것인 수직류식 인공습지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수직류식 인공습지는 유기성 산업폐수처리, 생활오수 처리 또는 마을 단위 소규모 오수정화에 적용되는 것인 수직류식 인공습지.